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Título: Um novo conceito de interrogação por padrões speckles para sensores de pressão aplicados na indústria de petróleo e em áreas classificadas
Autor(es): Sperandio, Vinicius Martinelli
Orientador: Pontes, Maria José
Coorientador: Frizera Neto, Anselmo
Data do documento: 20-Jul-2015
Editor: Universidade Federal do Espírito Santo
Resumo: Equipamentos elétricos instalados em áreas classificadas necessitam ser protegidos de alguma forma, para que eles não iniciem uma explosão devido a curto-circuito ou mesmo por provocar alta temperatura, devendo atender normas nacionais e internacionais. Um dos sensores mais utilizados em processos na indústria é o de pressão, que também pode ser utilizado para inferir nível, vazão e temperatura. Nesse contexto, a utilização da fibra óptica com uso de laser de baixa potência se torna bastante atrativa para leitura de pressão. A fibra óptica associada a utilização de laser de baixa potência, pode reduzir os riscos de explosão em áreas classificadas sem necessidade de proteção requerida em norma. Para realizar a medida de pressão com fibra óptica nesse trabalho, um laser de baixa potência (da ordem de mW) foi acoplado através de uma fibra óptica polimérica (POF) em substituição ao ponteiro de um manômetro de Bourdon convencional. A luz é propagada através da fibra e refletida na área rugosa, que gera padrões speckles que contém as informações do ângulo de giro. O speckle é uma imagem de aspecto granular que se forma quando um feixe de luz coerente atravessa um meio (nesse caso, a fibra multimodo) que possui algumas centenas de modos de propagação e apresenta variações no índice de refração. A imagem de saída da fibra multimodo acoplada ao manômetro é capturada a fim de medir o deslocamento angular da área observada, que deve ser substituída pelo ponteiro. O estudo e interpretação dos padrões speckles gerados experimentalmente foram feitos por software, correlacionando as imagens com os valores do manômetro de referência. Uma rotina de filtro morfológico eliminou previamente os ruídos da imagem, devido a vibrações produzidas pelo próprio meio onde o protótipo foi instalado. Com isto, a imagem sofreu menor variação do meio para então ser processada de duas formas: primeiro foi aplicada a técnica de Wiener-Khintchine, adquirindo os picos da correlação cruzada entre as imagens do vídeo produzido. Após a aplicação dessa técnica, também foi desenvolvida uma rede neural com valores de erro quadrático médio tais que viabilizaram a sua aplicação prática. Os resultados obtidos através da técnica de Wiener-Khintchine com a aplicação da transformada rápida de fourier foram suficientes para mostrar a dependência com a variação de pressão, mas as leituras realizadas ainda foram inviáveis para a aplicação do modelo em campo. Os valores lidos não tinham produzido resolução suficiente, pois foram de 18 graus com variação de 3; 2%. Após o desenvolvimento da rede neural, utilizando algoritmo feed-forward backpropagation (AFFWBP) multicamada, foi possível atingir resolução para aplicação em campo, com erros menores que 3 graus.
Equipment installed in areas considered classified due to the existence of likelihood of gas mixtures in an area, need to be protected in some way. In such areas there is a permanent risk of initiating an explosion caused by a short circuit or even cause high temperature, should meet international standardization. One of the most used sensor in the industry process is pressure, which can also be used to infer level, flow and temperature. In this context, the use of optical fiber with low power laser used becomes quite attractive to read pressure values. Optical fiber associated with the use of low-power laser, can reduce the risk of explosion in hazardous areas without protection required in electrical equipment by international standardizations. To perform pressure measurements with optical fiber in this Master dissertation, a low-power laser (range of mW) was coupled through a polymer optical fiber (POF) replacing the pointer of a bourdon gauge. The light is propagated through the fiber and reflected in rough area that generates speckles patterns containing the information of turning angle. The speckle patterns is a granular image that is formed when a coherent light beam through a medium (in this case, the multimode fiber) with hundreds of propagation modes and presents variations in refractive index. The output image of multimode fiber coupled to the gauge is recorded to measure the angular displacement of the observed area, which should be replaced by the pointer. The study and interpretation of speckle patterns generated experimentally were made by software, correlating the images with the values of the reference gauge. A morphological filter routine previously applied eliminated the noise of the image due to vibrations produced by the very means that the prototype was installed. With this, the image undergone less variation means to then be processed in two ways: first was applied to Wiener-Khintchine technique, acquiring the peaks of cross-correlation between images of video. After applying this technique was also developed a neural network with mean square error values such that enabled its practical application. The results obtained through the Wiener-Khintchine technique with the implementation of fast fourier transform were enough to show the dependence of the pressure variation, but the readings taken were still infeasible for the implementation in field. The readings had not produced sufficient resolution, as were 18 degrees with a variation of 3.2%. After the development of the neural network, using feed-forward backpropagation algorithm multilayer, it was possible to achieve resolution for field application, with fewer errors than 3 degrees.
URI: http://repositorio.ufes.br/handle/10/9663
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