[pt] Redes de Bragg em fibras ópticas (RBF) são formadas por modulações periódicas introduzidas no índice de refração do núcleo de fibras ópticas. Estes componentes comportam-se como filtros espectrais de banda passante, ou seja, quando iluminados por um sinal óptico de banda larga, refletem apenas uma fina fatia espectral de luz, cujo centro, o comprimento de onda de Bragg, é proporcional ao período espacial da modulação no índice de refração. As RBF têm encontrado aplicações importantes no sensoriamento das mais diversas grandezas, sendo hoje utilizadas em sistemas de monitoramento para vários segmentos industriais, tais como os setores de petróleo e gás, construção civil e aeroespacial, que, estima-se, respondem em conjunto por cerca de 70% destas aplicações. Em diversas situações o sensoriamento com RBF baseia-se em medidas indiretas da grandeza de interesse, sendo empregados mecanismos de transdução que transformam variações do mensurando em deformações na fibra óptica. Nestes casos, um problema que deve ser tratado com atenção é o acoplamento entre temperatura e deformação, uma vez que as RBF são sensíveis a estas duas variáveis. Não raro, a alternativa é utilizar simultaneamente duas RBF para obter-se a compensação de temperatura na medida de deformação. Este trabalho apresenta um estudo sobre deformações não homogêneas em redes de Bragg e discute aplicações de duas técnicas que podem ser utilizadas como alternativas para eliminar o efeito da temperatura no sensoriamento de deformação com apenas uma RBF. A primeira delas explora a birrefringência óptica induzida na RBF por carregamentos transversais à fibra óptica. A segunda baseia-se nos efeitos sobre o espectro refletido pela rede de Bragg quando submetida a um campo de deformações longitudinais não uniformes ao longo da direção axial da fibra óptica. No trabalho são apresentados protótipos e dispositivos que exploram tais técnicas para a medida simultânea de pressão e temperatura. Esses protótipos foram projetados com auxílio de ferramentas CAD e modelados utilizando-se o método de elementos finitos em conjunto com a teoria de modos acoplados da Rede de Bragg. As previsões obtidas utilizando-se estes modelos mostraram-se bastante próximas dos resultados das implementações experimentais dos protótipos, indicando que a metodologia de modelagem desenvolvida pode ser aplicada nos projetos de transdutores baseados nas duas técnicas estudadas. / [en] Fiber Bragg gratings (FBG) are modulations in the effective refractive index of optical fibers, introduced in a small length along the fiber core. Such components operate as narrow band reflective filters, that is, when illuminated by a broad-band light source, they reflect a narrow spectral band centered at a specific wavelength, the Bragg wavelength. This wavelength is proportional to the spatial period of the refractive index modulation. Fiber Bragg gratings have find an increasing number of applications as sensors for different quantities, and today are being employed as part of permanent, real time monitoring systems in various industrial segments. The oil and gas sector, together with civil infrastructure and aeronautics and aerospace, account for almost 70% of this applications. In a number of situations, FBG sensing is based on indirect measurements of the quantity being monitored, and a transduction mechanism is employed to transform changes in the measured quantity in strain sensed by the optical fiber. Since the FBG is sensitive to strain and temperature, proper temperature compensation is always necessary. Usually, a second grating is employed to simultaneously measure temperature and strain, performing the required compensation. This thesis presents a study on effects due to non- homogeneous strains in the Bragg grating and discusses application of two different techniques, based on these effects, to allow temperature compensated strain measurement using a single FBG. The first technique explores strain induced optical birefringence when the fiber is loaded transversely. The second technique is based on changes in the spectral shape of the light signal reflected by the grating when subjected to non homogeneous axial strain fields. Prototypes of pressure and temperature transducers based on these techniques have been developed. These prototypes have been designed by employing CAD techniques and modeled using the finite element method in conjunction with the theory of coupled modes for fiber Bragg gratings. Comparisons between results provided by theoretical models and experimental realizations of the prototypes are very close, demonstrating that the developed approach can be applied to design transducers based on the discussed techniques. Results obtained with the proposed pressure and temperature sensors are also encouraging indicating that the two techniques are suitable for industrial applications.

[pt] O setor de petróleo e gás apresenta diversas oportunidades de aplicação para os sensores a fibra óptica. Algumas características inerentes às fibras ópticas, como baixo peso, flexibilidade, longa distância de transmissão, baixa reatividade do material, isolamento elétrico, imunidade eletromagnética e alta capacidade de multiplexação, podem ser determinantes em diversas situações, seja nos segmentos de exploração, transporte, refino ou distribuição. As principais operadoras internacionais do setor identificaram a tecnologia de Sensores a Fibra Óptica como elemento chave para viabilizar, com toda a funcionalidade esperada, a instalação de sistemas de completação inteligente de poços de petróleo (produção ou injeção). O sensoriamento do poço permite obter, a qualquer momento, informações precisas sobre diversas grandezas, entre outras a pressão, temperatura, vazão, pH ou mesmo a posição de válvulas que controlam o fluxo através do poço. A monitoração em tempo real do poço é parte da estratégia de automação do processo de produção do campo de petróleo. Esta é uma tendência que no futuro próximo aponta para a exploração de campos de petróleo inteligentes, onde a produção por vários poços de um mesmo reservatório realizase de forma otimizada e automatizada, reduzindo custos, e aumentando fatores de recuperação das reservas de hidrocarbonetos fósseis. O presente trabalho se insere neste contexto, e apresenta a concepção, desenvolvimento e resultados de testes de dois protótipos de transdutores de fundo do poço para integrar um sistema de completação inteligente baseado na tecnologia de sensoriamento utilizando redes de Bragg em fibras ópticas. O primeiro deles destina-se à medida da pressão diferencial num sensor de vazão do tipo Venturi. Resultados de testes com protótipos do transdutor demonstraram que ele pode operar numa faixa de mais ou menos 5 bar de pressão diferencial, sob pressões médias de até 21 MPa e temperaturas de 90 graus Celsius com resolução de 0,06 por cento do fundo de escala. O segundo transdutor desenvolvido, aplica-se à medida da posição de abertura e fechamento de uma válvula controladora de fluxo tipo camisa deslizante (sliding sleeves). Duas técnicas foram investigadas. A primeira delas, para aplicações mais gerais, baseia-se no uso de atuadores magnetoestrictivos. A segunda procurou atender a um projeto específico para este tipo de válvula, em cuja concepção utiliza-se uma mola elástica para exercer a força de restituição contra um atuador hidráulico. Neste caso, optou-se por desenvolver uma célula de carga instrumentada com redes de Bragg. Nos testes realizados foram obtidos resultados satisfatórios em termos de sensibilidade e resolução, tendo-se chegado para esta última a valores próximos de 0,03 mm num curso de 70 mm (0,04 por cento do fundo de escala). / [en] Optical fibers are finding a growing range of new applications in the petroleum industry, which include, not only those already well established in telecommunications, but also in novel sensing technologies. Possibility of dense multiplexing, continuous distributed measurements, long distances between measurement points and electronic circuits, and explosion risk free, are some of the characteristics shared by different types of optical fiber sensors. The major global oil and gas operators and service companies have elected optical fiber sensing as one of the key enablers to implement with all the expected functionality and reliability the novel technology of intelligent well completion. Continuous well monitoring allows the operator to access, at any time during the well life, important information regarding different process variables, such as pressure, temperature, flow-rate, pH, or even the position of sliding sleeves valves that control the flow through the well. This is part of the automation strategy to optimize production in the whole reservoir, a technological trend that points towards the concept of an intelligent oil field and that, in the near future, will be applied to the integrated management of production from several wells in the same reservoir, contributing to reduce intervention costs, and increasing recovery factors of fossil hydro-carbon reserves. The present work is inserted in this context, and reports the conception, development and results of tests conducted with prototypes of two different optical fiber transducers to be integrated in an intelligent well completion system. The first one is a Bragg grating differential pressure transducer, which has been developed to measure pressure drop across a Venturi flow-meter inserted in the production tubing. Test results with prototypes have demonstrated that the transducer may be applied to measure differential pressures in the range of more or less 5 bar, under static (average) pressures up to 21 MPa and temperatures below 90 Celsius Degree, with 0.06 percent full-scale resolution. The second development is a displacement transducer applied to measure the opening position of sliding sleeves valves. Two different measurement principles were investigated. The first, intended to general applications of displacement measurements, relied on the use of magnetostrictive actuators and fiber Bragg grating sensors. The second displacement transducer applies to a specific type of valve, which employs a mechanical spring to provide recovery forces to a hydraulic actuator. The proposed solution was based on the use of a load cell instrumented with fiber Bragg gratings. Tests results demonstrated that the prototype transducer was capable of resolving changes in displacement as lower as 0.03 mm in a full-range of 70 mm, approximately 0.04 percent full-scale resolution.

[pt] Este trabalho versa sobre duas diferentes aplicações de sensores a redes de Bragg em fibra óptica. A primeira consiste no desenvolvimento de uma técnica de sensoriamento do pH empregando fibra óptica, que visa a monitoração contínua e permanente deste parâmetro em poços de petróleo depletados e de injeção. Nesta aplicação, as redes de Bragg são acopladas, através de um mecanismo transdutor, a sistemas poliméricos que respondem a alterações do pH apresentando uma variação expressiva de seu volume. O tempo de resposta e o fator de inchamento do sistema polimérico foram caracterizados para valores de pH 3, 4, 5, e 6, em soluções aquosas contendo sais dissolvidos em concentrações típicas das encontradas em águas de formação. As medições foram realizadas a temperaturas e pressões ambientes, assim como na presença de óleo, e após a pressurização do sistema polimérico até 5000 psi. Diferentes mecanismos transdutores foram projetados e construídos, e suas respostas, avaliadas em soluções aquosas com composição similar à das águas de formação. Foram estimadas a sensibilidade da técnica e as principais fontes de incerteza na medição do pH. Procurou-se também avaliar a funcionalidade dos mecanismos transdutores visando uma futura instalação em poço. Na segunda aplicação, é proposta uma técnica para a medição in situ da tensão residual induzida em filmes finos de alta dureza durante sua deposição em câmaras de sputtering assitido por rádio-frequência e campo magnético. A técnica é constituída por uma viga em aço engastada, tendo uma de suas faces instrumentada com um conjunto de redes de Bragg a fibra óptica, enquanto a face oposta é exposta ao fluxo de íons do material a ser depositado. O sistema sensor é instalado em uma câmara que opera sob alto vácuo, enquanto os aparelhos de leitura permanecem no exterior. A resposta do protótipo em função de variações do campo magnético e da temperatura no interior da câmara foi levantada. Em seguinda, foram realizadas medições da deformação da viga durante a deposição de filmes de sílica, de óxido de titânio-índio, e de carbeto de silício. A tensão residual dos filmes foi calculada e comparada com resultados de medições de curvatura do substrato realizadas empregando um perfilômetro. Tensões residuais de 6 MPa até 0,2 Gpa foram obtidas durante as diferentes deposições. / [en] This work treats of two different applications of optical fiber Bragg grating sensors. The first application consists of a pH sensing technique that employs optical fiber to permanent and continuously monitor the pH in depleted and injection oil wells. In this application, the Bragg gratings are coupled by a transduction mechanism to a polymeric system which responds to pH variations with a large volume change. The response time as well as the swelling factor of the polymeric system at pH 3, 4, 5, and 6 have been characterized in aqueous solutions with dissolved salts in concentrations typical of those found in formation waters. Experiments have been carried out at room temperature and pressures, in the presence of oil, and after pressurization up to 5000 psi. Several mechanisms of transduction have been designed, constructed, and tested in solutions similar to the formation waters. The sensitivity of the technique and the main sources of uncertainties related to the pH measurement have been investigated. Also, the functionality of the mechanisms has been evaluated aiming at a future installation in the petroleum wells. The second application investigated is a technique for in situ measurement of the residual stress induced in hard thin films during deposition by RF magnetron sputtering. The sensing technique consists of a cantilever steel beam. One of the surfaces of the beam is instrumented using optical fiber Bragg gratings; the opposite face is exposed to the ion flux that originates the thin film. The sensing system is installed in a vacuum chamber while the interrogating apparatus remains outside. The prototype has been characterized with respect to variations of the magnetic field and the temperature inside the chamber. Measurements of the beam strain have been carried out during deposition of silica, indium- titanium oxide, and silicon carbide thin films. The residual stresses have been calculated and the results compared with data obtained using perfilometry. Residual stress values varying from 6 MPa up to 200 MPa have been obtained during the different deposition processes.

[pt] De acordo com os cálculos do Sindicato Nacional da Indústria de Cerveja (Sindicerv), os estados e o governo federal perdiam anualmente cerca de R$ 720 milhões em arrecadação, devido à sonegação praticada por alguns fabricantes de cerveja. Um elemento facilitador para esse tipo de sonegação é o método atualmente utilizado pela Receita Federal para o controle da quantidade de volume produzido, que envolve apenas o controle de notas fiscais de vendas, o que tem sido uma grande fonte de erros e prejuízo, tanto para as empresas, quanto para o governo. Em 2001, com o objetivo de criar mecanismos que auxiliem no controle de arrecadação de impostos, o governo federal publicou a Medida Provisória no 2.158-35, obrigando os fabricantes a instalar um Sistema de Medição de Vazão (SMV) em todas as linhas de engarrafamento, na entrada de cada enchedora. O SMV seria usado inicialmente apenas no monitoramento. Além de medir a quantidade de bebida produzida, o SMV é, por meio de um sistema de condutivímetro elétrico, responsável por detectar o tipo de líquido que está sendo envasado. Nesta dissertação, são avaliadas possíveis técnicas de diferenciação de bebidas alcoólicas e não-alcoólicas, visando atribuir maior confiança à Receita Federal e aos consumidores. Além da condutividade, foram avaliadas a densimetria e a potenciometria. Devido a problemas encontrados nestas três (3) técnicas, resolveu-se testar a eficiência de um sensor à fibra óptica de índice de refração para a diferenciação de bebidas. A principal vantagem deste sensor é tornar a sonegação mais difícil, pois, ao contrário do condutivímetro, não sofre influência eletromagnética externa. As incertezas de medição dos valores obtidos para condutividade e índice de refração foram calculadas. Os resultados da presente dissertação são suficientemente significativos para substanciar a recomendação de uma revisão da Medida Provisória no 2.158- 35. Parte desta dissertação foi financiada, através do Convênio referência FINEP n° 22.01.0692.00, pelo Programa Tecnologia Industrial Básica e Serviços Tecnológicos para a Inovação e Competitividade MCT/FINEP/FNDCT/Fundo Verde Amarelo, um programa cooperativo universidade- empresa. / [en] According to the Brazilian Sindicato Nacional da Indústria de Cerveja (Sindicerv), about R$ 720 million a year used to be lost due to federal and state tax evasion by some beer manufacturers. Tax evasion used to be eased by the method used by the Brazilian federal revenue service (Receita Federal) to monitor the amount of beer manufactured, which was solely based on sales receipts, resulting in large losses for the government and companies. In 2001, in order to create mechanisms to help in tax collection, the Federal government issued the Medida Provisória no 2.158-35, making it mandatory for the manufacturers to install a Flow Measurement System in all bottling lines, at the beginning of the beverage filler. The system was to be initially used as a monitoring device. In addition to measuring the amount of beverage manufactured, the Flow Measurement System is also responsible for detecting the type of beverage being bottled or canned by means of an electrical conductivity sensor. This and other possible methods for distinguishing between alcoholic and non alcoholic beverages in the Flow Measurement System are evaluated in this dissertation, in order to increase reliability for the Receita Federal and the consumers. In addition to the conductivity, density and pH measurements were also evaluated. Due to problems found in these three (3) techniques, an index of refraction optical fiber sensor was also tested for distinguishing between beverages. The main advantage of this sensor is that it makes tax evasion more difficult because, as opposed to the conductivity sensor, it is not affected by external electromagnetic interference. The uncertainty in measurement of the conductivity and index of refraction results were calculated. This dissertation` results are sufficiently significant to substantiate the recommendation that the Medida Provisória no 2.158-35 be revised. Part of this dissertation was financed by the Convênio referência FINEP n° 22.01.0692.00 of the Programa Tecnologia Industrial Básica e Serviços Tecnológicos para a Inovação e Competitividade MCT/FINEP/FNDCT/Fundo Verde Amarelo, a university-company cooperative program.

[pt] Desde o final da década de 80 a indústria de fibras óticas têm passado por avanços consideráveis. Através de técnicas controladas, as fibras ópticas podem gerar sinais associados a uma vasta gama de grandezas físicas funcionando como sensores denominados de Sensores a Fibra Óptica (SFO s). Diversas técnicas podem ser empregadas para tal, e entre as existentes a baseada em redes de Bragg é a que mais tem se destacado. O interesse por transdutores empregando esta técnica se justifica pelas vantagens proporcionadas pelo uso da luz, tais como sua capacidade de multiplexação, boa relação sinal/ruído, medições a longas distâncias, imunidade a campos eletromagnéticos, ausência de faísca, entre outras. Neste trabalho buscou-se desenvolver um transdutor e uma técnica de medição baseada em sensores a rede de Bragg para medição de vibrações mecânicas. Um acelerômetro óptico triaxial é projetado e construído. Diferentes modelos foram testados em busca das características de desempenho desejadas. Simulações numéricas empregando o método dos elementos finitos auxiliaram na decisão por melhores desenhos para o transdutor. Resultados de testes experimentais e calibrações empregando um sistema de aquisição de sinais desenvolvido são mostrados. Medições de longa duração para avaliação de estabilidade do sistema e efeitos de temperatura também são apresentados. / [en] Since the end of the 1980s, the fiber optics industry has experienced considerable advances. Through a number of controlled techniques, fiber optics can generate signals associated with a vast array of physical measures, working as sensors denominated Optical Fiber Sensors (OFS s). Many different techniques can be employed to achieve this objective. Among these, the one based on Bragg networks has received the greatest amount of attention. The interest in transducers employing this technique is justified by the advantages of using light, such as its multiplexing capability, good signal-to-noise ratio, possibility of long distance measurements, immunity to electromagnetic fields, and absence of sparks. In the present work, a transducer and measurement technique based on Bragg network sensors vibration are developed, in order to measure mechanical vibrations. A triaxial optical accelerometer is designed and built. Different models are tested in the search for the desired performance characteristics. Numerical simulations employing the finite element method help the decision making process for better transducer designs. Results from experimental and calibration tests using a newly developed signal acquisition system are presented. Long duration measurements to evaluate system stability and temperature effects are also shown.