A necessidade da utilização de dutos é crescente no setor petrolífero, assim como a monitoração dos mesmos. Uma forma de se evitarem vazamentos, que podem ocasionar grandes danos ao meio ambiente, é monitorar as deformações. Caso a falha não possa ser evitada por meio de procedimentos operacionais, a monitoração de deformações permite identificar o momento inicial e o local do vazamento, possibilitando uma rápida ação de equipes de limpeza e despoluição. Também é importante a monitoração dos efeitos de encostas e da movimentação do solo. O mesmo podese dizer a respeito de dutos submarinos de produção e de transferência, submetidos a carregamentos dinâmicos complexos, que combinam pressão interna, externa, torção, esforços axiais e, o mais comum destes, o carregamento a flexão. Para este tipo de aplicação, sensores a fibra óptica apresentam uma série de atrativos. Multiplexação, operação remota e distribuição de sensores por longas distâncias são características que favorecem sua utilização em sistemas de monitoração de deformação.
A fibra óptica é um fio de material dielétrico que consegue prender radiação óptica em uma extremidade e guiá-la até a outra. Esta energia é mantida no núcleo por reflexão na superfície de fronteira, onde a casca e o núcleo se encontram. Coberturas de plástico são adicionadas para aumentar a resistência mecânica em ambientes normais, mas outros tipos de coberturas, como por exemplo materiais metálicos e cerâmicos, possibilitam aumentar a faixa de ambientes onde as fibras podem ser usadas. Até o início da década de setenta, a aplicação principal de fibras ópticas era para instrumentos de endoscopia usados em procedimentos médicos para examinar o corpo humano internamente . Foi nessa época que foram desenvolvidas as primeiras fibras com atenuações suficientemente baixas a ponto de possibilitar a utilização da óptica no sistema de comunicação. Principalmente a partir de experimentos descritos em papers por Vali e Shortill em 1976, mostrando que interferômetros ópticos poderiam ser fabricados a partir de fibras, e Rogers em 1977, que mostrou que uma única fibra óptica poderia ser usada como sensor, e como uma conexão óptica flexível possibilitando medidas de serem realizadas em ambientes extremamente hostis, que a variedade de medidas detectadas por fibras ópticas cresceu rapidamente, assim como o número de transdutores que foram utilizados.
Redes de Bragg em fibras ópticas (RBF) são elementos intrínsecos sensitivos que podem ser escritos por luz ultravioleta em uma fibra de sílica e têm todas as vantagens normalmente atribuídas a sensores a fibra óptica. Além disto, os sistemas têm uma inerente capacidade de auto-referência e são facilmente multiplexados ao longo de uma única fibra. Sensores com base em redes parecem ser úteis em uma série de aplicações, em particular na área de estruturas inteligentes, onde podem ser embutidos em materiais, medindo parâmetros como deformação, temperatura e vibrações. Redes de Bragg funcionam como um espelho altamente seletivo, de comprimentos de onda que satisfaçam a condição de Bragg. O período espacial de modulação (L) e o comprimento total da rede (L), junto com a modulação, determinam quais comprimentos de onda terão maior, menor ou nenhuma reflexão, como mostrado na figura, onde lm é o comprimento de luz refletido de ordem m, n é o índice de refração da fibra e L é o período espacial da fibra. Para a maioria das aplicações utiliza-se m=1.
Pela equação pode-se perceber que qualquer mudança de L ou n levará a uma mudança correspondente de lm. Ou seja, qualquer deformação mecânica ou mudança do índice de refração devido à temperatura, acarretará em uma mudança na posição espectral da reflexão de uma rede de Bragg. O súbito e crescente interesse no campo de Redes de Bragg em fibras ópticas, ocorrido a partir de 1989, quando Meltz e seus colaboradores demonstraram possibilidade de fabricar RBF com total controle sobre o comprimento de onda a ser refletido, é sem dúvida resultado das inúmeras aplicações possíveis para tais componentes. O desenvolvimento de dispositivos envolvendo redes para diversas finalidades cresce a cada dia, resultando em soluções eficientes para os mais variados problemas.
O princípio básico normalmente usado em sistemas de sensores a RBF é a monitoração do deslocamento do comprimento de onda do sinal que retorna da rede de Bragg e relacionar estas mudanças com os parâmetros que se desejam medir (deslocamento, temperatura, etc.). Não estando estes parâmetros relacionados com a potência de luz detectada, impede-se que eventuais perdas na transmissão ao longo da fibra gerem erros de medida. Sensores de temperatura e de deformação foram demonstrados assim como métodos para se distinguirem as alterações no espectro da rede causadas por estes dois fatores. Estes sensores podem ser introduzidos em estruturas (ditas inteligentes) de diversos materiais durante a fabricação, permitindo um monitoramento constante e remoto de suas alterações.
A natureza da resposta das redes de Bragg faz com que estes sensores tenham uma capacidade de auto-referência. Como as informações dos sensores estão diretamente ligadas ao comprimento de onda, que é um parâmetro absoluto, a saída não depende diretamente dos níveis de intensidade de luz, perdas nos conectores e acopladores ou potência da fonte. Esta é uma das mais importantes vantagens deste tipo de sensor. Esta natureza de ter informação diretamente ligada ao comprimento de onda facilita também a multiplexação, fazendo com que cada sensor fique associado a uma faixa disponível do espectro. Isto possibilita sensores densamente multiplexados (também chamados de quase distribuídos) de deformação, temperatura e outras medidas associando cada faixa do espectro a uma localização espacial. O limite superior do número de sensores neste tipo de aplicação é o perfil do comprimento de onda gerado pela fonte e o comprimento de onda necessário operacionalmente por cada sensor.
Assim como a rede de Bragg, os sensores distribuídos apresentam todas as vantagens relacionadas à fibra óptica, como IEM e sensoriamento remoto, dentre outras já citadas, e por isto torna-se válida uma breve comparação. Os sensores distribuídos têm como principal vantagem o fato de a própria fibra ser o elemento sensor, sem qualquer necessidade de processamento ou preparação da fibra. O primeiro complicador deste tipo de sistema é o preço elevado de seus componentes, chegando à ordem de US$ 100.000, o que se deve em grande parte à necessidade de um laser de potência elevada e alta coerência. Além disto, para realizar medidas precisas a mesma tem de ser refeita várias vezes, o que torna a medida uma medida estática. Outro ponto importante para realizar a comparação entre esta técnica e o sensoriamento através de rede de Bragg é o fato de a precisão espacial do sensor distribuído (0,8 m em 1 km, 5m em 10 km e 15 m em 20 km de extensão em sistemas de alta qualidade, disponíveis comercialmente) poder ser superada pela precisão em sensoriamento quase-distribuído à rede de Bragg, onde utilizando a multiplexação podemos posicionar as redes onde for necessário com mais precisão que no sensor distribuído.
A presente contribuição de Viktor tratou da avaliação experimental da viabilidade técnica de medição de deformação em dutos através da técnica de sensores a rede de Bragg em fibras ópticas. Aplicação bastante importante, sabendo-se que um dos principais parâmetros para evitar vazamentos de largas proporções, é a medição de deformação, o que é valido tanto para dutos terrestres quanto submarinos. Outro fator enfatiza a necessidade de atenção com as tubulações é o enorme crescimento previsto para o sistema nacional de dutos, que transportará principalmente derivados de petróleo e conseqüentemente qualquer vazamento pode ser catastrófico para o meio ambiente. A medida de deformação em dutos vislumbra, através da multiplexação, tornar possível o sensoriamento de tubulações com quilômetros de extensão e em diferentes condições de instalação, através da inserção de uma única fibra óptica dotada de cerca de mil redes de Bragg posicionadas conforme a necessidade de precisão. Vale dizer que grandes progressos já foram alcançados no sentido de realizar a multiplexação da ordem de 1000 redes por fibra e que isto possibilita grande barateamento do sistema.
Fonte: http://www.mec.puc-rio.br/~petroleo/html/inter.html
acesso em fevereiro de 2003
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