INSTITUTO DE TECNOLOGIA PARA O DESENVOLVIMENTO...

0

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




Figura 22 – Temperatura dos 11 pontos do primeiro modelo ao longo de 10 minutos – nível de água: 11 cm.................................................................................................................... 46



Figura 25 – Temperaturas mínima, média e máxima dos 11 pontos do primeiro modelo ao longo de 10 minutos – nível de água: 3 cm.......................................................................... 48




Figura 29 – Temperaturas mínima, média e máxima dos 11 pontos do primeiro modelo ao 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




Figura 36 – Temperatura dos 38 pontos do segundo modelo ao longo de 10 minutos – nível de água: 11 cm.................................................................................................................... 54



Figura 39 – Temperaturas mínima, média e máxima dos 38 pontos do segundo modelo ao longo de 10 minutos – nível de água: 3 cm.......................................................................... 56




Figura 43 – Temperaturas mínima, média e máxima dos 38 pontos do segundo modelo ao longo de 10 minutos – nível de água: 11 cm........................................................................ 58



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


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 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO..............................................................21

2 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

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

4 RESULTADOS - ANÁLISE E DISCUSSÃO........................................................43

4.1 EXPERIMENTO 1.......................................................................................43

4.2 EXPERIMENTO 02.....................................................................................60

5 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 DE TEMPERATURAS COM FIBRAS ÓPTICAS

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 MÉTODO DISTRIBUÍDO DE MONITORAMENTO DE TEMPERATURA

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 Fonte – O autor (2013).

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.

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).

Unidades em metros

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 Fonte – O autor (2013).

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 Fonte – O autor (2013).

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.

13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 2324

25

26

27

28

29

30

31

32 Temperatura dos pontos ao longo do tempo

Tempo em minutos

Tem

pera

tura

em

ºC

Base 1Ponto 2

Ponto 3

Ponto 4

Ponto 5

Ponto 6Ponto 7

Ponto 8

Ponto 9

Ponto 10Topo 11

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.

101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 11122

24

26

28

30

32

34

36


Tempo em minutos

Tem

pera

tura

em

ºC

Base 1Ponto 2

Ponto 3

Ponto 4

Ponto 5

Ponto 6Ponto 7

Ponto 8

Ponto 9

Ponto 10Topo 11


5 cm


62 64 66 68 70 72 7425

30

35


Tempo em minutos

Tem

pera

tura

em

ºC

Base 1Ponto 2

Ponto 3

Ponto 4

Ponto 5

Ponto 6Ponto 7

Ponto 8

Ponto 9

Ponto 10Topo 11


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.

88 90 92 94 96 98 10026

28

30

32

34

36

38


Tempo em minutos

Tem

pera

tura

em

ºC

Base 1Ponto 2

Ponto 3Ponto 4

Ponto 5

Ponto 6Ponto 7

Ponto 8

Ponto 9

Ponto 10Topo 11


9 cm


16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 2624

26

28

30

32

34

36

38


Tempo em minutos

Tem

pera

tura

em

ºC

Base 1Ponto 2

Ponto 3

Ponto 4

Ponto 5

Ponto 6Ponto 7

Ponto 8

Ponto 9

Ponto 10Topo 11


11 cm


47

41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 5130

31

32

33

34

35

36

37

38

39


Tempo em minutos

Tem

pera

tura

em

ºC

Base 1Ponto 2

Ponto 3

Ponto 4

Ponto 5

Ponto 6Ponto 7

Ponto 8Ponto 9

Ponto 10Topo 11


13 cm


16 18 20 22 24 26 28 3035.5

36

36.5

37

37.5

38

38.5


Tempo em minutos

Tem

pera

tura

em

ºC

Base 1Ponto 2

Ponto 3

Ponto 4

Ponto 5

Ponto 6Ponto 7

Ponto 8

Ponto 9

Ponto 10Topo 11


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.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1122

24

26

28

30

32

34

36

38 Temperaturas MÁXIMA, MÉDIA e MÍNIMA dos pontos entre os minutos 13 e 23

Pontos

Tem

pera

tura

em

ºC

máximamínima

média

amb inicial

amb final

exp inicialexp final

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.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1118

20

22

24

26

28

30

32

34

36


Pontos

Tem

pera

tura

em

ºC

máximamínimamédia

amb inicialamb final





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.

0 2 4 6 8 10 1222

24

26

28

30

32

34

36

38


Pontos

Tem

pera

tura

em

ºC

máximamínima

média

amb inicial

amb final





50

0 2 4 6 8 10 1222

24

26

28

30

32

34

36

38


Pontos

Tem

pera

tura

em

ºC

máximamínima

médiaamb inicial

amb finalexp inicialexp final




1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1120

22

24

26

28

30

32

34

36

38


Pontos

Tem

pera

tura

em

ºC

máximamínima

média






51

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1120

22

24

26

28

30

32

34

36

38


Pontos

Tem

pera

tura

em

ºC

máximamínima

média

amb inicial

amb final





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.

0 2 4 6 8 10 12 1420

22

24

26

28

30

32

34

36

38


Pontos

Tem

pera

tura

em

ºC

máximamínima

média

amb inicial

amb final





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.

19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 2918

20

22

24

26

28

30


Tempo em minutos

Tem

pera

tura

em

ºC

Base 1Ponto 4

Ponto 7

Ponto 11

Ponto 14Ponto 17

Ponto 21

Ponto 24Ponto 27

Ponto 31

Ponto 34

Ponto 36Topo 38

Figura 32 – Temperatura dos 38 pontos do segundo modelo ao longo de 10 minutos – nível de água:

3 cm


53

101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 11120

22

24

26

28

30

32

34

36


Tempo em minutos

Tem

pera

tura

em

ºC

Base 1Ponto 4

Ponto 7

Ponto 11

Ponto 14Ponto 17

Ponto 21

Ponto 24Ponto 27

Ponto 31

Ponto 34

Ponto 36Topo 38


5 cm


17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 2720

22

24

26

28

30

32

34

36

38

40

Temperatura dos pontos ao longo do tempo

Tempo em minutos

Tem

pera

tura

em

ºC

Base 1Ponto 4

Ponto 7

Ponto 11

Ponto 14Ponto 17

Ponto 21

Ponto 24Ponto 27

Ponto 31

Ponto 34

Ponto 36Topo 38


7 cm


54

74 76 78 80 82 84 8622

24

26

28

30

32

34

36

38


Tempo em minutos

Tem

pera

tura

em

ºC

Base 1Ponto 4

Ponto 7

Ponto 11

Ponto 14Ponto 17

Ponto 21

Ponto 24Ponto 27

Ponto 31

Ponto 34

Ponto 36Topo 38


9 cm


16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 2620

22

24

26

28

30

32

34

36

38


Tempo em minutos

Tem

pera

tura

em

ºC

Base 1Ponto 4

Ponto 7

Ponto 11

Ponto 14Ponto 17

Ponto 21

Ponto 24Ponto 27

Ponto 31

Ponto 34

Ponto 36Topo 38


11 cm


55

52 54 56 58 60 62 6422

24

26

28

30

32

34

36

38


Tempo em minutos

Tem

pera

tura

em

ºC

Base 1Ponto 4

Ponto 7Ponto 11

Ponto 14Ponto 17

Ponto 21Ponto 24Ponto 27Ponto 31

Ponto 34

Ponto 36Topo 38


13 cm


16 18 20 22 24 26 28 3022

24

26

28

30

32

34

36

38


Tempo em minutos

Tem

pera

tura

em

ºC

Base 1Ponto 4

Ponto 7Ponto 11

Ponto 14Ponto 17Ponto 21

Ponto 24Ponto 27Ponto 31

Ponto 34

Ponto 36Topo 38


15 cm


56

0 5 10 15 20 25 30 35 4018

20

22

24

26

28

30

32

34

36

38 Temperaturas MÁXIMA,MÉDIA e MÍNIMA dos pontos entre os minutos 19 e 29

Pontos

Tem

pera

tura

em

ºC

máximamínima

média

amb inicial

amb final


Figura 39 – Temperaturas mínima, média e máxima dos 38 pontos do segundo modelo ao longo de

10 minutos – nível de água: 3 cm


0 5 10 15 20 25 30 35 4018

20

22

24

26

28

30

32

34

36


Pontos

Tem

pera

tura

em

ºC

máximamínima

média

amb inicial

amb final





57

0 5 10 15 20 25 30 35 4020

22

24

26

28

30

32

34

36

38


Pontos

Tem

pera

tura

em

ºC

máximamínima

médiaamb inicial

amb final





0 5 10 15 20 25 30 35 4020

22

24

26

28

30

32

34

36

38


Pontos

Tem

pera

tura

em

ºC

máximamínima

média






58

0 5 10 15 20 25 30 35 4020

22

24

26

28

30

32

34

36

38


Pontos

Tem

pera

tura

em

ºC

máximamínima

médiaamb inicial

amb final





0 5 10 15 20 25 30 35 4022

24

26

28

30

32

34

36

38


Pontos

Tem

pera

tura

em

ºC

máximamínima

médiaamb inicial

amb final





59

0 5 10 15 20 25 30 35 4020

22

24

26

28

30

32

34

36

38


Pontos

Tem

pera

tura

em

ºC

máximamínima

média

amb inicial

amb final





Na Tabela 3 apresenta-se uma comparação entre os níveis de água impostos

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

0 5 10 15 20 25 30 35 4015

20

25

30 Temperatura MÁXIMA, MÉDIA e MÍNIMA dos pontos entre as repetições 1 e 80

Pontos da fibra

Tem

pera

tura

em

ºC

máximamínima

média

amb inicial

amb final

água inicialágua final

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.

0 5 10 15 20 25 30 35 4018

20

22

24

26

28

30


Pontos da fibra

Tem

pera

tura

em

ºC

máximamínima

média

amb inicial

amb final



água: 18 cm


66

Na Figura 56, estima-se que o nível de água esteja entre os pontos 13 e 14.

0 5 10 15 20 25 30 35 4014

16

18

20

22

24

26

28

30


Pontos da fibra

Tem

pera

tura

em

ºC

máximamínima

média




água: 20 cm



0 5 10 15 20 25 30 35 4016

18

20

22

24

26

28

30

32


Pontos da fibra

Tem

pera

tura

em

ºC

máximamínima

média

amb inicial

amb final



água: 22 cm


67


0 5 10 15 20 25 30 35 4016

18

20

22

24

26

28

30


Pontos da fibra

Tem

pera

tura

em

ºC

máximamínima

média

amb inicial

amb final



água: 24 cm



0 5 10 15 20 25 30 35 4018

20

22

24

26

28

30


Pontos da fibra

Tem

pera

tura

em

ºC

máximamínima

média




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.

0 5 10 15 20 25 30 35 4018

20

22

24

26

28

30


Pontos da fibra

Tem

pera

tura

em

ºC

máximamínima

média

amb inicial

amb final



água: 28 cm


Na Tabela 4 apresenta-se uma comparação entre os níveis de água impostos

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 Heat-

up 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

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,:); Mpasso_23_11_2011=M_23_11_2011(comprimento_inicial:comprimento_final,:); Mpasso_28_11_2011=M_28_11_2011(comprimento_inicial:comprimento_final,:); Mpasso_30_11_2011=M_30_11_2011(comprimento_inicial:comprimento_final,:); Mpasso_02_12_2011=M_02_12_2011(comprimento_inicial:comprimento_final,:); Mpasso_09_12_2011=M_09_12_2011(comprimento_inicial:comprimento_final,:); save Mpasso_21_11_2011 save Mpasso_23_11_2011 save Mpasso_28_11_2011 save Mpasso_30_11_2011 save Mpasso_02_12_2011 save Mpasso_09_12_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_final-tempo_inicial+1),1)*Temperatura_ambiente_inicial temperatura_ambiente_final=ones((tempo_final-tempo_inicial+1),1)*Temperatura_ambiente_final temperatura_experimento_inicial=ones((tempo_final-tempo_inicial+1),1)*Temperatura_experimento_inicial temperatura_experimento_final=ones((tempo_final-tempo_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 figure('color', [1 1 1]) 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) ylabel('Temperatura em ºC','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 comprimento_final=94; % 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,:); MSpasso_23_11_2011=M_23_11_2011(comprimento_inicial:comprimento_final,:); MSpasso_28_11_2011=M_28_11_2011(comprimento_inicial:comprimento_final,:); MSpasso_30_11_2011=M_30_11_2011(comprimento_inicial:comprimento_final,:); MSpasso_02_12_2011=M_02_12_2011(comprimento_inicial:comprimento_final,:); MSpasso_09_12_2011=M_09_12_2011(comprimento_inicial:comprimento_final,:); save MSpasso_21_11_2011; %| save MSpasso_23_11_2011; %| save MSpasso_28_11_2011; %|----> Salvando as matrizes já cortadas save MSpasso_30_11_2011; %| save MSpasso_02_12_2011; %| save MSpasso_09_12_2011; %| disp('Salvando as matrizes já cortadas') %% Finalizando ajuste de matrizes %% Matriz(Linha, Coluna)=> cada linha representa uma unidade de %% 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_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 altera [metros minutos]=size(M); time=tempo_inicial:tempo_final; 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_final-comprimento_inicial+1),1)*Temperatura_ambiente_inicial; temperatura_ambiente_final=ones((comprimento_final-comprimento_inicial+1),1)*Temperatura_ambiente_final; temperatura_experimento_inicial=ones((comprimento_final-comprimento_inicial+1),1)*Temperatura_experimento_inicial; temperatura_experimento_final=ones((comprimento_final-comprimento_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]; figure('color', [1 1 1]) 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') ylabel('Temperatura em ºC','FontSize',20) legend(['Base ',num2str(pontos(1))],['Ponto ',num2str(pontos(2))],['Ponto ',num2str(pontos(3))],... ['Ponto ',num2str(pontos(4))],['Ponto ',num2str(pontos(5))],['Ponto ',num2str(pontos(6))],... ['Ponto ',num2str(pontos(7))],['Ponto ',num2str(pontos(8))],['Ponto ',num2str(pontos(9))],... ['Ponto ',num2str(pontos(10))],['Ponto ',num2str(pontos(11))],['Ponto ',num2str(pontos(12))],... ['Topo ',num2str(pontos(13))]) grid on % malha %% axis square % desenho quadrado %% Temperaturas máximas, mínimas e médias , ambiente e do experimento figure('color', [1 1 1]) plot(temperatura_maxima,'b.-') hold on 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) ylabel('Temperatura em ºC','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

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); 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 2') end %% if graf_3==1 Temp_Aquec=Temperaturas(ponto_da_fibra_D:ponto_da fibra_E,tempo_ref); figure('Color',[1 1 1]) xx = 0:.25:fim_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); figure('Color',[1 1 1]) 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 figure('Color',[1 1 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 comprimento_final=92; % 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') %% Finalizando ajuste de matrizes %% Matriz(Linha, Coluna)=> cada linha representa uma unidade de %% 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_ambiente_inicial=20.70 % Alterar temperatura ambiente inicial Temperatura_ambiente_final=20.70 % Alterar temperatura ambiente final Temperatura_agua_inicial=19.60 % Alterar temperatura experimento inicial Temperatura_agua_final=27.50 % Alterar temperatura experimento final %% Daqui para baixo não altera [metros minutos]=size(M); time=tempo_inicial:tempo_final; 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_final-comprimento_inicial+1),1)*Temperatura_ambiente_inicial; temperatura_ambiente_final=ones((comprimento_final-comprimento_inicial+1),1)*Temperatura_ambiente_final; Temperatura_agua_inicial=ones((comprimento_final-comprimento_inicial+1),1)*Temperatura_agua_inicial; Temperatura_agua_final=ones((comprimento_final-comprimento_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]; figure('color', [1 1 1]) 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 ',num2str(pontos(3))],... ['Ponto ',num2str(pontos(4))],['Ponto ',num2str(pontos(5))],['Ponto ',num2str(pontos(6))],... ['Ponto ',num2str(pontos(7))],['Ponto ',num2str(pontos(8))],['Ponto ',num2str(pontos(9))],... ['Ponto ',num2str(pontos(10))],['Ponto ',num2str(pontos(11))],['Ponto ',num2str(pontos(12))],... ['Topo ',num2str(pontos(13))]) grid on % malha %% axis square % desenho quadrado

92

%% Temperaturas máximas, mínimas e médias , ambiente e do experimento figure('color', [1 1 1]) plot(temperatura_maxima,'b.-') hold on 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_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

INSTITUTO DE TECNOLOGIA PARA O DESENVOLVIMENTO...

Documents

Transcript of INSTITUTO DE TECNOLOGIA PARA O DESENVOLVIMENTO...