CPGEI (Qualificação) Gustavo Rafael Collere Possetti

Sensores em fibra ótica para avaliação de combustíveis líquidos e medição de salinidade

Resumo: Neste trabalho é apresentado um estudo preliminar sobre a aplicabilidade de sensores em fibra baseados em redes de período longo como ferramentas para avaliar combustíveis líquidos e medir salinidade em meio aquoso. Nesse sentido, foi investigado o comportamento dos sensores na determinação do teor de etanol em misturas etanol-água e propostos dois métodos para que tais determinações sejam unívocas para toda a faixa de concentração de etanol. Os resultados obtidos indicam que teores de etanol de até 0,23 % v/v podem ser detectados em misturas etanol-água. Os sensores em fibra ainda foram empregados nas avaliações dos teores de biodiesel, de óleo de origem e de óleo diesel presentes em misturas binárias e homogêneas. Para tanto, foram desenvolvidos dois métodos que fazem com que os índices de refração dos líquidos, que em temperatura ambiente são iguais ou maiores que o índice de refração da casca da fibra ótica de sílica, sejam sistematicamente minimizados, possibilitando a realização de medições em condições de guiamento eletromagnético convencionais. Nessas condições, as sensibilidades ao índice de refração dos sensores em fibra são altas e permitem a detecção de teores de óleo de origem menores que 0,09 % v/v em misturas óleo-biodiesel. Além disso, teores de biodiesel menores que 0,16 % v/v podem ser mensurados em misturas contendo biodiesel e óleo diesel. Por fim, foi avaliado o desempenho de um interferômetro de Mach-Zhender em fibra na medição das concentrações de cloreto de potássio, cloreto de sódio e formiato de sódio dissolvidos em meio aquoso para a faixa entre 0 e 150 g/L. Esse desempenho foi comparado com as respostas fornecidas por um refratômetro de Abbe e por um condutivímetro, os quais são sistemas convencionais de medição de salinidade. Os resultados indicam que as menores concentrações de sais que podem ser determinadas com o sensor em fibra são, em média, inferiores a 3 g/L.

Palavras-chave: Sensor em fibra ótica. Rede de período longo. Combustível líquido. Salinidade.

Optical fiber sensor for liquid fuel assessment and salinity measurement

Abstract: This work shows a previous study about the applicability of optical fiber sensors based on long-period grating as tools for evaluating liquid fuels and for measuring salinity. In a sense, the sensor responses to ethanol concentration in ethanol-water blends were investigated. Besides, two methods were proposed in order to establish the ethanol concentration without ambiguity for whole ethanol concentration range. The results show that the optical fiber sensor can be used to determine the ethanol concentration with resolution up to 0.23 % v/v. Optical fiber sensors were also employed for evaluating biodiesel, vegetable oil and petrodiesel concentration in binary and homogeneous mixtures. Two methods were developed in order to minimize the refractive indexes of the liquids, which are similar or higher than fiber cladding refractive index at environment temperature. These methods allow the optical fiber sensor measuring in typical electromagnetic propagation conditions. In these conditions, the refractive index sensitivity of the optical fiber sensors are superior, allowing the vegetable oil detection in oil-biodiesel blends with resolutions lower than 0.09 % v/v. Additionaly, biodiesel concentrations were determined in biodiesel-petrodiesel blends with resolutions lower than 0.16 % v/v. Finally, in fibre Mach-Zehnder interferometer was used for salinity measurement. Sodium chloride, potassium chloride and sodium formate diluted in water solutions were characterized within the concentration range from 0 up to 150 g/L. Salinity measured by means of fibre refractometry was compared with measurements obtained using an Abbe refractometer as well as via electrical conductivity. The results show that optical fiber sensor can determine the salinity with average resolution lower than 3 g/L.
Keywords: Optical fiber sensor. Long-period grating. Liquid fuel. Salinity.

Lista de publicações:
POSSETTI, G. R. C.; TERADA, G. G.; DACIUK, R. J.; OFUCHI, C. Y.; NEVES JUNIOR, F.; ARRUDA, L. V. R.; MULLER, M.; FABRIS, J. L. Heterogeneous sensor system for ethanol concentration measurement. IEEE Sensors, submetido, 2011.
KAWANO, M. S.; HEIDEMANN, B. R.; CARDOSO, T. K. M.; POSSETTI, G. R. C.; KAMIKAWACHI, R. C.; MULLER, M; FABRIS, J. L. Tailoring fiber grating sensors for assessment of highly refractive fuels. Applied Optics, submetido, 2011.
POSSETTI, G. R. C.; KAMIKAWACHI, R. C.; MULLER, M.; FABRIS, J. L. Metrological evaluation of optical fiber grating-based sensors: an approach towards the standardization. Journal of Lightwave Technology, v. 30, n. 8, DOI 10.1109/JLT.2011.2167500, JLT-13411-2011, 2011
POSSETTI, G. R. C.; CAMILOTTI, E.; MULLER, M.; FABRIS, J. L. Long Period Grating Transducer for Measurement of Ethanol Concentration in Water Solution. Journal of Microwaves, Optoelectronics and Electromagnetic Applications, v. 8, p.17S - 25S, 2009.
POSSETTI, G. R. C.; KAMIKAWACHI, R. C.; PREVEDELLO, C. L.; MULLER, M.; FABRIS, J. L. Salinity measurement in water environment with a long period grating based interferometer. Measurement Science and Technology, v. 20, 034003, 2009.
FABRIS, J. L.; MULLER, M.; POSSETTI, G. R. C.; KAMIKAWACHI, R. C.; KAWANO, M. S.; CARDOSO, T. K. M.; HEIDEMANN, B. R. Processos baseados em sensores intrínsecos à fibra ótica para avaliação da qualidade do biodiesel e do óleo diesel, PI protocolo 015110000320, 2011.
POSSETTI, G. R. C.; LOURENCO JR., I.; KAMIKAWACHI, R. C.; MULLER, M.; FABRIS, J. L. Uncertainties evaluation in optical fiber grating sensor measurements. In: 21st International Conference on Optical Fiber Sensors, 2011, Otawa - Canadá. Proc. of SPIE, v. 7753. p. 775395-1, 2011.
POSSETTI, G. R. C.; TERADA, G. G.; DACIUK, R. J.; OFUCHI, C. Y.; NEVES JUNIOR, F.; ARRUDA, L. V. R.; MULLER, M.; FABRIS, J. L. Heterogeneous measurement system based on optical fiber and ultrasonic sensors to determine ethanol concentration. In: IEEE Sensors 2011 Conference, 2011, Limerick - Irlanda. IEEE Catalog Number: CFP11SEN-CDR, p. 1169-1172, 2011.
HEIDEMANN, B. R; POSSETTI, G. R. C.; CÔCCO, L. C.; YAMAMOTO, C. I.; MULLER, M.; FABRIS J. L. Assessment of biodiesel-diesel blends with an optical fiber grating sensor. In: 2011 SBMO/IEEE MTT-S International Microwave & Optoelectronics Conference (IMOC 2011), 2011, Natal – Rio Grande do Norte. IEEE Catalog Number: CFP11SBM-CDR, p. 857-861, 2011.