Publicada em

28/02/2020

Cristiano de Jesus Florentino

314 – Desenvolvimento de um protótipo de aquecimento de cabos de fibra óptica distribuído para medidores de nível d’água e piezômetros

Resumo

A presente dissertação apresenta detalhes sobre o desenvolvimento de um protótipo para monitoramento de nível d’água (NA) e poropressão (PP) em medidores de nível d’água (MNA) e piezômetros (PZ) por meio do uso do sensoriamento distribuído de fibra óptica. Em campo, um operador realiza pontualmente o monitoramento do NA e de PP em MNA e PZ por um de um equipamento chamado de indicador de nível d’água, conhecido como PIU. O protótipo se refere a um dispositivo idealizado para armazenar água quente no seu interior com a finalidade de transmitir calor para um cabo de fibra óptica monomodo, comercializado no mercado nacional, e consequentemente; monitorar o NA ou a PP. O cabo, por sua vez, funciona como um sensor distribuído de temperatura quando conectado ao Distributed Temperature Sensing (DTS). Desenvolveu-se o protótipo visando eliminar a necessidade do uso de energia elétrica para aquecimento de cabos de fibra óptica importados construído com uma malha de cobre. Com o desenvolvimento deste protótipo a energia elétrica não é mais necessária para realização do aquecimento do cabo, além de eliminar vários acessórios necessários para tal tarefa, como exemplo, extensões, geradores, infraestrutura para geradores. Cita-se ainda a redução de custos com importação do cabo de FO confeccionado com cobre e, reduziu-se o tempo de aquisição. Anteriormente ao desenvolvimento do protótipo, foi construído em laboratório um modelo composto de três simuladores de NA, entre outros materiais. Foram realizados testes nos três simuladores de NA para definição de padrões mecânicos e estatísticos visando a construção e instalação do protótipo em campo experimental. Para realizar o monitoramento de NA e PP com o protótipo desenvolvido, foi utilizado o método ativo de aquecimento do cabo de fibra óptica distribuído por meio de água aquecida em temperatura de 60°C. Os testes nos simuladores equivaleram a quatro variações induzidas de NA, desde a cota 0,0 até as elevações de 0,60 m, 1,20 m, 1,80 m, e 2,40 m. Os testes foram repetidos em três oportunidades até a definição dos comportamentos estatísticos das variações. Os resultados indicaram que a redução do nível d’água nos simuladores têm um comportamento linear quando se trata da variação de temperatura média. O erro médio identificado entre os NA monitorado e as observações realizadas por meio do equipamento PIU foi de 7 cm. Com o comportamento linear da correlação da temperatura e variação do NA monitorado nos simuladores do modelo, foi possível aplicar a mesma metodologia em campo experimental. Utilizou-se o mesmo procedimento de laboratório para determinação do NA em campo experimental onde foi instalado o protótipo. Os resultados de campo experimental indicam que o desenvolvimento do protótipo desenvolvido nesta dissertação pode ser utilizado para monitoramento dos níveis d’água e poropressões em medidores de nível d’água e piezômetros instalados em diferentes estruturas.

Abstract

This dissertation shows details of the prototype development for monitoring water level (WL) and pore pressure (PP) into water level meters (WLM) and piezometers (PZ) through the use of distributed fiber optics sensing. At the field, an operator does the punctually monitors of the WL and the PP in MNA and PZ, using a device called a water level indicator, known as PIU in Brazil. The prototype is a device designed to store hot water inside with the purpose of transmitting heat to a multi-mode fiber optic cable, sold at the national market, and consequently; monitor WL or PP. The cable, in turn, functions as a distributed temperature sensor when connected to the DTS unit. The prototype was developed to eliminate the necessity to use electrical energy to heat imported fiber optic cables built with a copper mesh. With the development of this prototype, electricity is no longer needed to perform the cable heating, in addition to eliminate various accessories necessary for this task, such as extensions and electricity generators. It is also mentioned the reduction of costs with the importation of the FO cable made with copper, and the acquisition time was reduced. Prior to the development of the prototype, a model composed of three WL simulators, among other materials, were built in the laboratory. Tests were carried out in the three WL simulators to define mechanical and statistical standards aiming at the construction and installation of the prototype at the experimental field. To perform the monitoring of WL and PP with the developed prototype, the active method of heating the fiber optic cable distributed by means of water heated to a temperature of 60°C was used. The tests using the simulators were equivalent to four induced NA variations, from the 0.0 level to the elevations of 0.60 m, 1.20 m, 1.80 m and 2.40 m. The tests were repeated in three occasions until the statistical behavior of the variations was defined. The results indicated that the water level reduction in the simulators has a linear behavior when it comes to the average temperature variation. The average error identified between the monitored WL and the observations made using the PIU equipment was 7 cm. With the linear behavior of the temperature correlation and the variation of the WL monitored in the model simulators, it was possible to apply the same methodology in an experimental field. The same production made in the laboratory, was used to determine the WL in an experimental field where the prototype was installed. The experimental field results indicate the prototype developed in this dissertation can be used to monitor water levels and pore pressures in water level meters and piezometers installed in different structures.

Data da defesa: 28/02/2020

Banca Examinadora

Orientador(a): Rodrigo Moraes da Silveira (Lactec)
Membro da Banca: Débora Cíntia Marcilio (Lactec)
Membro da Banca: Vitoldo Swinka Filho (Lactec)
Membro da Banca: Luiz Russo Neto (PUC/PR)

Palavra(s)-Chave: Fibra óptica; DTS; Instrumentação geotécnica.

Keywords: Optical Fiber; DTS; Geotechnical Instrumentation.

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