Este trabalho tem como objetivo compreender o comportamento térmico da excitatriz estática da Usina Hidrelétrica Derivação do Rio Jordão (UHEDRJ), empregando redes de Bragg em fibra ótica como sensor de temperatura. São apresentados os componentes da excitatriz estática, com foco na ponte retificadora trifásica controlada a tiristores. Com a calibração pôde-se conhecer os erros e incertezas dos sensores, tendo as maiores contribuições de incerteza devidas à dispersão das amostras e ajuste das curvas pelo método dos mínimos quadrados. A instrumentação da excitatriz estática permite que sejam realizados ensaios em diversas condições de operação da unidade geradora: partida da unidade, excitação a vazio, ou seja, com o gerador energizado, mas sem estar conectado ao sistema elétrico; excitada e sincronizada, ou seja, gerador energizado e sincronizado com o sistema elétrico; rampa de carga até a carga nominal e parada da unidade. Os ensaios realizados permitem estimar o comportamento térmico da ponte retificadora, variações de temperatura de cada tiristor no painel e como ocorrem as dissipações térmicas. / This work aims to study the static exciter thermal behavior of the hydroelectric power plant Rio Jordão (UHEDRJ) using fiber Bragg gratings as temperature sensor. The components of the static exciter are presented, with a focus on three-phase thyristor controlled bridge rectifier. The calibration allows knowing the errors and uncertainties of the sensors and the greatest uncertainty contributions due to dispersion of the samples and adjusting the curves by the method of minimun squares. The static exciter instrumentation allows performed the tests in various operating conditions of the generating unit: starting unit, excitation empty (with the generator energized but not connected to the grid); excited and synchronized (energized and synchronized with the power grid), ramp load to rated load and the unit stopped. The tests allow to estimate the thermal behavior of the bridge rectifier, temperature variations of each thyristor in the panel and how occur the thermal dissipation.

CAPES / Este trabalho tem como objetivo desenvolver um sensor a fibra óptica para a monitoração de temperatura em mancais de hidrogeradores de usinas hidrelétricas. Foi apresentado o projeto gráfico, modelagem térmica, processo de montagem e testes realizados. Por tratar-se de uma inovação, é difícil a comparação com outros sensores ópticos desenvolvidos especificamente para monitorar temperatura em mancais de hidro geradores. Inicialmente, foram realizados ensaios preliminares com um protótipo para determinação da dinâmica térmica no interior dos mancais em situações diversas de operação. A partir dessa medição, foi idealizado um sensor óptico que possui duas fibras ópticas, com 3 redes de Bragg gravadas em cada uma delas. Essas redes são encapsuladas por uma haste de alumina coberta com anéis de material com elevada condutividade térmica onde as redes de Bragg se localizam, e baixa condutividade térmica no restante da haste. O procedimento, para calibrar as redes de Bragg do sensor, consistiu em varias a temperatura em degraus de 10°C desde 10°C até 80°C. Cada valor de temperatura permaneceu estável durante 20min, permitindo que o comprimento de onda refletido de cada sensor pudesse ser estimado mediante um histograma. A partir da calibração foram determinados os coeficientes de correlação e o coeficiente de sensibilidade térmica de cada sensor, bem como a incerteza padrão combinada dos mesmos. As incertezas foram divididas em dois tipos, A e B. As incertezas do tipo A, são relativas à dispersão amostral e são determinadas a partir da média, variância e desvio padrão das amostras realizadas durante a calibração. As incertezas do tipo B são obtidas de manuais e certificados de calibração. Foram realizados testes em laboratório com o objetivo de submeter o novo sensor a grandes variações térmicas, entre 15°C e 75°C e checar se as incertezas determinadas correspondiam na prática. Os resultados obtidos apresentam erro máximo de aproximadamente 0,9°C entre o sensor óptico e o sensor de referência PT100. Esse resultado situa-se dentro da faixa de valores de incerteza calculada para os sensores da fibra óptica 1, respectivamente 1,7°C, 1°C e 0,7°C para os sensores 1, 2 e 3. Assim como para a fibra 2, foram observados os valores de incerteza de 0,98°C e 0,71°C respectivamente para as FBG 1, 2 e 3. O desenvolvimento deste sensor possibilita a criação de novos sistemas de monitoração de temperatura ópticos aplicáveis em geradores de grande porte, bem coma interligação destes sistemas visando no futuro o mapeamento térmico total de um gerador utilizando sensoriamento óptico. / This work aims to develop a fiber optic probe for temperature monitoring in bearings of generators hydro power plants. Graphic design, thermal modeling, assembly and testing process is presented. Once it is innovation, it is difficult to compare with other optical transducers developed specifically for monitoring temperature in bearing hydro generators. Initially experiments were performed with a prototype for determination of the thermal dynamics inside the bearings in various operating situations. From this measurement, an optical transducer was designed which was two optical fibers with 3 Bragg gratings recorded in each of them. These gratings are encapsulated by a rod made of alumina and covered with rings of material with good thermal conductivity where the Bragg grating is located, and low thermal conductivity in the remainder of the rod. The procedure for calibrating the Bragg gratings of the transducer consisted of steps of 10°C in the temperature range from 10°C to 80°C. Each temperature value remained stable during 20 min, allowing the mean wavelength reflected from each sensor might be estimated by a histogram. Were determined from the calibration the correlation coefficient and the coefficient of thermal sensitivity of each sensor, and the combined standard uncertainty thereof. The uncertainties were divided into two types: Type A uncertainties are related to the sample dispersion and are determined from the mean, variance and standard deviation of the samples taken during calibration, and type B where uncertainties are obtained from manuals and certificates of calibration. Tests were conducted in laboratory with the aim to submit the new transducer to large temperature variations, ranging between 15°C and 75°C and to check if the uncertainties corresponded in practice. The results presented the maximum error of about 0.9°C between the optical sensor and the reference sensor PT100. This result is within the range of uncertainty values calculated for the fiber optical fiber 2, uncertainty values of 0.98°C, 0.85°C to 0.71°C respectively for the FBG 1, 2 and 3 were observed. The development of this transducer enables the creation of new systems for monitoring temperature optical applicable in generators, as well as the interconnection of these systems to the future the total thermal mapping of a generator using optical sensing. / 5000

CNPq / Esta dissertação descreve a fabricação, aplicação e os resultados de um sensor de fibra ótica baseada em redes de Bragg regeneradas para a medição de elevadas temperaturas dos gases de exaustão em uma turbina de motor diesel de locomotiva. É proposto um encapsulamento para a FBG com peças em aço inoxidável o qual foi fixado na superfície da turbina. O sensor foi posto a prova sendo submetido em testes em campo variando a potência do motor. Em laboratório foi feita a comparação do sensor ótico com um sensor convencional termopar. Foi possível demonstrar que os valores de temperatura medidos pelos sensores, tanto o sensor a fibra ótica quanto o convencional, seguem a mesma tendência da potência gerada pelo motor e, dessa forma, foi demonstrado a eficiência do funcionamento dos sensores mostrando a medição de temperaturas na turbina. / This paper describes the fabrication, implementation and results of a fiber optic sensor based on Bragg gratings regenerated for measurement of high temperatures of the exhaust gases in a turbine diesel engine locomotive. The proposed sensor with an encapsulation with stainless steel parts which is laid down on the surface of the turbine. The sensor has been challenged undergoing field tests at varying engine power. In the laboratory the optical sensor was compared with a conventional thermocouple sensor. It was possible to demonstrate that the temperature values measured by the sensors, both the optical fiber sensor as the conventional follow the same trend of the power generated by the engine and thus demonstrated the efficiency of the operation of sensors measuring temperatures showing in turbine.

Este trabalho tem como objetivo compreender o comportamento térmico da excitatriz estática da Usina Hidrelétrica Derivação do Rio Jordão (UHEDRJ), empregando redes de Bragg em fibra ótica como sensor de temperatura. São apresentados os componentes da excitatriz estática, com foco na ponte retificadora trifásica controlada a tiristores. Com a calibração pôde-se conhecer os erros e incertezas dos sensores, tendo as maiores contribuições de incerteza devidas à dispersão das amostras e ajuste das curvas pelo método dos mínimos quadrados. A instrumentação da excitatriz estática permite que sejam realizados ensaios em diversas condições de operação da unidade geradora: partida da unidade, excitação a vazio, ou seja, com o gerador energizado, mas sem estar conectado ao sistema elétrico; excitada e sincronizada, ou seja, gerador energizado e sincronizado com o sistema elétrico; rampa de carga até a carga nominal e parada da unidade. Os ensaios realizados permitem estimar o comportamento térmico da ponte retificadora, variações de temperatura de cada tiristor no painel e como ocorrem as dissipações térmicas. / This work aims to study the static exciter thermal behavior of the hydroelectric power plant Rio Jordão (UHEDRJ) using fiber Bragg gratings as temperature sensor. The components of the static exciter are presented, with a focus on three-phase thyristor controlled bridge rectifier. The calibration allows knowing the errors and uncertainties of the sensors and the greatest uncertainty contributions due to dispersion of the samples and adjusting the curves by the method of minimun squares. The static exciter instrumentation allows performed the tests in various operating conditions of the generating unit: starting unit, excitation empty (with the generator energized but not connected to the grid); excited and synchronized (energized and synchronized with the power grid), ramp load to rated load and the unit stopped. The tests allow to estimate the thermal behavior of the bridge rectifier, temperature variations of each thyristor in the panel and how occur the thermal dissipation.

[pt] A presente tese tem por objetivo estabelecer uma metodologia de caracterização metrológica de redes de Bragg do tipo I, tipo II e tipo regenerada estimando e validando estatisticamente o resultado de medição para medições de altas temperaturas voltadas para aplicações em sensoriamento. Além das telecomunicações, as fibras óticas estão sendo empregadas em aplicações de sensoriamento, visto que, a sílica que as compõem apresenta grande eficiência como meio de transmissão de dados. A crescente demanda por medição em alta temperatura nos processos industriais possibilitou o desenvolvimento de novas tecnologias de medição além das tecnologias tradicionais já utilizadas atualmente. Desta forma, criaram-se as condições necessárias para se introduzir uma nova tecnologia de medição de temperatura com redes de Bragg que apresenta algumas vantagens se comparadas com as tecnologias tradicionais de medição. Apesar de já existirem várias pesquisas a respeito de medição de temperatura com redes de Bragg, nenhuma delas aprofundou as questões metrológicas com as respectivas estimativas das incertezas de medição que envolve todo o processo de medição e caracterização de redes de Bragg em alta temperatura. A adaptação de um sistema tradicional de calibração de instrumentos de medição de temperatura foi projetado e desenvolvido, de tal forma que possibilitou a caracterização dos diferentes tipos de redes. Observou-se que os resultados de medição e as estimativas das incertezas de medição obtidos para todas as redes, se aproximaram satisfatoriamente dos modelos teóricos utilizados, confirmando a adequação dos sistemas de medição de temperatura e sensoriamento ótico. / [en] This thesis aims to establish a methodology for the metrological characterization of Bragg gratings type I, type II and type regenerated statistically thereby estimating and validating the measurement results for high temperature sensing applications. Beyond telecommunications applications, optical fibers are still used for optical sensing, since the silica fiber has great optical efficiency for data transmission. The growing demand for high-temperature measurements in industrial processes has enabled the development of new measurement technologies beyond the traditional technologies already in use today. Thus were created the conditions necessary to introduce a new technology of temperature measurement with Bragg gratings which presents some advantages compared with traditional technologies of measurement. Although there are several prior studies none of those examined the by others about temperature measurement with Bragg gratings, metrological issues, and is particular, the estimate of the measurement uncertainties surrounding the whole process of measurement and characterization of Bragg gratings at high temperature. The adaptation of a traditional system of calibration instruments for temperature measurement was developed and designed in such a way that allowed the characterization of different types of gratings. It was observed that the measurement results and the estimated uncertainties of the measurements obtained for all gratings, successfully approached the theoretical models used, confirming the adequacy of the measurement of temperature and optical sensing.

Neste trabalho foi estudada a aplicação das redes de Bragg em fibra óptica, como sensores no monitoramento e mapeamento térmico de um painel fotovoltaico instalado em ambiente aberto. Também foi analisada a capacidade desses sensores em detectar anomalias elétricas do painel, as quais são manifestadas pelas mudanças na temperatura. Devido ao fato de ser pioneiro no estudo da fibra óptica em painéis fotovoltaicos, o presente trabalho buscou comparar os resultados alcançados por esta tecnologia com os dados das demais técnicas de medição de temperatura, como por exemplo, o PT100 e câmera IR. Os ensaios foram realizados utilizando um painel fotovoltaico instalado em ambiente aberto, onde as suas variações de temperatura foram medidas por 27 sensores de fibra óptica instalados em sua superfície frontal. Durante todos os ensaios as condições ambientais de temperatura ambiente, nível de radiação solar e velocidade do vento foram monitorados. Os resultados demonstraram potencialidade de utilização das redes de Bragg em fibra óptica na detecção de variações térmicas ocasionadas por fatores ambientais ou aquecimento nas células. / This paper has been studying the applications of Bragg gratings in optical fibers, as sensors for thermal mapping and monitoring on photovoltaic panel surface which was installing in an open environment. We also analyzed the ability of optical fibers sensors to detect electrical anomalies in the panel, which are manifested by the changes in its temperature. Because it was pioneering in study of optical fiber application into photovoltaic panel, this paper's objective is compare the results between this technology and the other techniques for temperature measurements, for example when are used the PT100 sensors or infrared camera. Assays were performed using a photovoltaic panel that is installed in an open environment, its temperature changes were measured by a total of 27 optical fiber sensors installed on the front surface. During the tests, the environmental conditions of temperature, level of solar radiation and wind speed, were monitored. The results demonstrate the potential use of Bragg gratings in optical fiber for detecting thermal fluctuations caused by environmental factors or by heating the cells.

Sensores óticos baseados em redes de Bragg em fibras óticas estão se tornando uma tecnologia madura e ganhando espaço nas indústrias das mais diversas áreas. Para tal, essa tecnologia deve estar adaptada para ser integrada facilmente ao meio industrial. Com base nisso esta pesquisa apresenta o desenvolvimento de uma ferramenta computacional para duas tecnologias de interrogação de sensores baseados em Redes de Bragg em fibras óticas (FBGs). Além de adquirir os dados dos interrogadores a ferramenta computacional tem por objetivo processar os dados, para isso foi necessário o desenvolvimento de um algoritmo de detecção de picos. Este trabalho também apresenta os resultados obtidos de comparações entre as ferramentas comerciais para cada tecnologia de interrogação e a ferramenta desenvolvida durante esta pesquisa. / Optical sensors based on Fiber Bragg Gratings technologies are becoming a mature technology and starting to com now in the industrial area. To make this possible this technology need to be adapted to be easily integrated in the existing industrial systems. Based on this considerations, this research presents the development of a computational tool for two Fiber Bragg Gratings interrogation technologies. In addition to acquiring data from the interrogator the computational tool is intended to process the data, and this makes necessary to develop a peak detection algorithm. This work also presents the results obtained by comparing the commercial software’s of each interrogation system to the computational toll developed during this research.

Neste trabalho foi estudada a aplicação das redes de Bragg em fibra óptica, como sensores no monitoramento e mapeamento térmico de um painel fotovoltaico instalado em ambiente aberto. Também foi analisada a capacidade desses sensores em detectar anomalias elétricas do painel, as quais são manifestadas pelas mudanças na temperatura. Devido ao fato de ser pioneiro no estudo da fibra óptica em painéis fotovoltaicos, o presente trabalho buscou comparar os resultados alcançados por esta tecnologia com os dados das demais técnicas de medição de temperatura, como por exemplo, o PT100 e câmera IR. Os ensaios foram realizados utilizando um painel fotovoltaico instalado em ambiente aberto, onde as suas variações de temperatura foram medidas por 27 sensores de fibra óptica instalados em sua superfície frontal. Durante todos os ensaios as condições ambientais de temperatura ambiente, nível de radiação solar e velocidade do vento foram monitorados. Os resultados demonstraram potencialidade de utilização das redes de Bragg em fibra óptica na detecção de variações térmicas ocasionadas por fatores ambientais ou aquecimento nas células. / This paper has been studying the applications of Bragg gratings in optical fibers, as sensors for thermal mapping and monitoring on photovoltaic panel surface which was installing in an open environment. We also analyzed the ability of optical fibers sensors to detect electrical anomalies in the panel, which are manifested by the changes in its temperature. Because it was pioneering in study of optical fiber application into photovoltaic panel, this paper's objective is compare the results between this technology and the other techniques for temperature measurements, for example when are used the PT100 sensors or infrared camera. Assays were performed using a photovoltaic panel that is installed in an open environment, its temperature changes were measured by a total of 27 optical fiber sensors installed on the front surface. During the tests, the environmental conditions of temperature, level of solar radiation and wind speed, were monitored. The results demonstrate the potential use of Bragg gratings in optical fiber for detecting thermal fluctuations caused by environmental factors or by heating the cells.

Sensores óticos baseados em redes de Bragg em fibras óticas estão se tornando uma tecnologia madura e ganhando espaço nas indústrias das mais diversas áreas. Para tal, essa tecnologia deve estar adaptada para ser integrada facilmente ao meio industrial. Com base nisso esta pesquisa apresenta o desenvolvimento de uma ferramenta computacional para duas tecnologias de interrogação de sensores baseados em Redes de Bragg em fibras óticas (FBGs). Além de adquirir os dados dos interrogadores a ferramenta computacional tem por objetivo processar os dados, para isso foi necessário o desenvolvimento de um algoritmo de detecção de picos. Este trabalho também apresenta os resultados obtidos de comparações entre as ferramentas comerciais para cada tecnologia de interrogação e a ferramenta desenvolvida durante esta pesquisa. / Optical sensors based on Fiber Bragg Gratings technologies are becoming a mature technology and starting to com now in the industrial area. To make this possible this technology need to be adapted to be easily integrated in the existing industrial systems. Based on this considerations, this research presents the development of a computational tool for two Fiber Bragg Gratings interrogation technologies. In addition to acquiring data from the interrogator the computational tool is intended to process the data, and this makes necessary to develop a peak detection algorithm. This work also presents the results obtained by comparing the commercial software’s of each interrogation system to the computational toll developed during this research.

[pt] Linhas de transmissão de energia são estruturas importantes em um sistema de energia elétrica. Devido à elevada energia transportada por essas redes, falhas em linhas de transmissão podem ter reflexos severos no fornecimento aos consumidores, não raro levando a apagões em áreas geograficamente extensas. Entre as possíveis origens de falhas está o rompimento dos cabos elétricos pela fadiga provocada pela vibração eólica. As grandes extensões territoriais percorridas pelas linhas de transmissão e a variedade de climas, relevos, vegetação e condições meteorológicas aos quais estão submetidas dificultam qualquer trabalho de previsão da ação do vento. A medição da vibração permite detectar de antemão a aproximação da falha, porém os instrumentos convencionais dependem de transdutores elétricos os quais, além de exigirem uma fonte de energia (normalmente não disponível junto a linhas de transmissão) para seu funcionamento, sofrem influência dos intensos campos elétricos e magnéticos existentes em torno dos cabos de energia. A imunidade das fibras ópticas a campos elétricos e magnéticos e a possibilidade de uso de sinal de entrada de baixa potência oferecem uma alternativa para a criação de instrumentos de medição usando a técnica das redes de Bragg. A presente dissertação contribui com o desenvolvimento de um acelerômetro biaxial a redes de Bragg para medição de vibração em cabos de linhas de transmissão de energia. Além dos aspectos teóricos e práticos envolvidos, são discutidos os resultados de ensaios de calibração de elevada exatidão e outros ensaios especiais que fundamentaram a avaliação metrológica e o estabelecemento da eficácia do referido instrumento. / [en] Overhead transmission lines play an important role on electric systems. Due to the high energy carried through those networks, failures on overhead lines can bring severe constraints on consumers supply, occasionally taking the form of blackouts in large geographic regions. Among the reasons of such failures is the breaking of electric cables caused by the fatigue originated from cyclic bending due to aeolian vibration. The large areas covered by overhead lines and the variety of climate, relief, vegetation and meteorological conditions under which they have to operate make it difficult to foresee the impact of wind Vibration measurements would allow anticipating the failure but conventional instruments depend upon electric transducers which, besides demanding a local source of energy (usually unavailable near overhead lines), suffer the influence of the high electric and magnetic fields around the energized cables. Optical fibers immunity against environments subjected to electrical and magnetic fields and the possibility of using low energy input signals offer the alternative of creating measuring instruments using Bragg gratings technique. This Master dissertation contributes with the development of a fiber Bragg grating biaxial accelerometer for measuring the vibration of overhead transmission line cables. Besides the theoretical and practical aspects related to the subject, the results of high precision calibration tests are discussed, together with other special tests which set the basis of the metrological evaluation and the establishment of the efficacy of the instrument.