sensor ótico para detecção de contaminação na água

7/24/2019 Sensor tico para deteco de contaminao na gua

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4oPDPETRO, Campinas, SP 4.4.376 121-24 de Outubro de 2007

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SENSOR PTICO PARA DETERMINAO DE CONCENTRAO EM MISTURAS DECOMBUSTVEIS

Danilo Leite Dalmon1(Unicamp), Edmilton Gusken, Carlos Kenichi Suzuki2

1Faculdade de Engenharia Mecnica - DEMA, CP. 6122, CEP: 13083-970, [email protected]@fem.unicamp.br

Com o crescimento do mercado automotivo de veculos que possuem a tecnologia de motores bicombustveis,os dispositivos que permitem determinar a concentrao de misturas de combustveis passaram a receber maiorateno. Outro fato que reala a importncia desses dispositivos a imposio do governo em estabelecernormas com nveis de concentrao mxima de lcool anidro na gasolina comercial e de gua no lcoolhidratado. O desenvolvimento de um dispositivo para a anlise em tempo real dessa concentrao resolveria deforma simples os problemas enfrentados freqentemente na indstria petroqumica. O objetivo deste trabalho apresentar uma nova metodologia para a determinao da concentrao de misturas de combustveis utilizandoum sensor ptico e estimar a sua preciso estabelecendo curvas de calibrao para tais misturas.

O princpio de funcionamento baseado no fenmeno da refletividade que ocorre na interface entre o sensor ea mistura dos combustveis. A intensidade da luz refletida na ponta de prova funo da diferena entre o ndice

de refrao do sensor e o do lquido. Como o ndice de refrao de uma mistura funo dos ndices dassubstncias puras e de suas concentraes, possvel correlacionar a intensidade da luz refletida com aconcentrao da mistura. Para estabelecer a metodologia, foi utilizada uma montagem que inclui um refletmetroptico e uma fibra ptica. Atravs dessa fibra, foi feito o guiamento da luz at uma ponta de prova que estavaimersa na mistura. Foram analisadas misturas de gasolina-lcool (anidro e hidratado) e de lcool hidratado-gua,variando a concentrao de 10 em 10%, para o levantamento das curvas de calibrao.

As curvas de calibrao levantadas apresentaram caractersticas quadrticas conforme esperado pela teoria derefletividade. A diferena entre as intensidades refletidas variam de 4 dB na gasolina pura para 6 dB no lcoolanidro, mostrando que a tcnica bastante sensvel s diferenas de concentrao. O estudo sobre a forma da

ponta da fibra permitiu concluir que quanto maior a rea de contato da fibra com o lquido, menor o erroexperimental da medida. O desvio experimental das intensidades refletidas foram no mximo de 5%, o que

provoca um desvio ainda menor nos valores de concentrao. Os dados obtidos indicam que o sistema pticoproposto apresentou timo desempenho, podendo ser utilizado tanto em refinarias, centrais de distribuio eindstrias qumicas, como tambm em veculos automotivos.

concentrao de combustveis, adulterao, sensor ptico, flex-fuel, refletividade.

1. INTRODUO

Devido a crescente parcela ocupada por veculos bicombustveis (Selim, 2005), o mercado mundial deprodutos petroqumicos est cada vez mais atento em relao s misturas de combustveis. O crescimento do usode veculos bicombustveis tornou-se to significativo que diversos pases cogitam adotar tal tecnologia,utilizando o lcool em conjunto com a gasolina, o que dever tornar a tecnologia de veculos bicombustveis deuso global. Entretanto, um grave problema vem ocorrendo, que a adulterao de combustveis, feita atravs demistura do combustvel com outros produtos mais baratos, simples solventes (Kaligeros et al., 2003), ou comoutro combustvel, descumprindo a legislao.

Desta forma, as tcnicas e dispositivos para deteco de concentraes de misturas de combustveis tambmesto ganhando importncia. Atualmente, as tcnicas mais utilizadas para a fiscalizao de adulteraes so osmtodos laboratoriais, onde se determinam as propriedades fsico-qumicas, e uma dessas tcnicas a destilaofracionada (Oliveira et al., 2004). Tais tcnicas laboratoriais so precisas, porm lentas, exigindo umainfra-estrutura laboratorial. No caso aplicado a veculos bicombustveis, utiliza-se o sensor denominado sondalambda, que consiste na anlise da concentrao de oxignio nos gases expelidos aps a combusto (Dueker etal., 1977), fornecendo resposta rpida, porm pouco precisa, alm de apenas permitir determinar a concentraoda mistura ps-combusto do combustvel.

de grande interesse o desenvolvimento de uma tcnica, que seja capaz de determinar a concentrao demisturas de combustveis, de forma rpida e precisa, sendo compacta e de baixo custo. Tal tcnica poderia ser degrande utilidade nos procedimentos de fiscalizao (Bahari et al, 1991), apresentando-se tambm como umaalternativa para veculos bicombustveis. H inmeros fenmenos fsicos e dispositivos que podem ser utilizados

para o desenvolvimento de uma metodologia de anlise, como, por exemplo, os dispositivos fotnicos, tais comoas fibras sensoras (Suzuki, 2006). Um dos principais e novos campos de atuao da fibra ptica o de


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sensoriamento (Pal, 1992), tendo como exemplo de aplicao a determinao de vazamento em tanques dearmazenamento de combustveis (Rosas, 2003).

O presente trabalho apresenta o uso de um aparato ptico para a determinao da concentrao de misturasde combustveis. Este aparato consiste em uma fonte de luz, um detector e uma fibra ptica sensora. Ao semisturar dois lquidos miscveis, o ndice de refrao resultante proporcional concentrao volumtrica decada componente e aos valores dos ndices de refrao das solues puras (Pandey et al., 1999). Desta forma,

atravs da medida da intensidade do feixe de luz refletida, fenmeno da refletividade, pode-se determinar aconcentrao da mistura. O objetivo deste trabalho apresentar uma metodologia de sensoriamento ptico para adeterminao da concentrao de misturas de dois combustveis, estudar os parmetros que afetam sua preciso,assim como a obteno de curvas de calibrao para os combustveis gasolina-lcool anidro, gasolina-lcoolhidratado e gua-lcool hidratado.

2. METODOLOGIA

2.1 Refletividade e Reflectncia

O fenmeno da refletividade descrito pelas equaes de Fresnel (Takenaka et al., 1999), onde um feixe refletido e refratado ao passar por uma interface de dois meios com diferentes ndices de refrao. As equaesque expressam o fenmeno descrito por Fresnel so:

ti

tip

nn

nnr

coscos

coscos

12

12

+

= ,

ti

tis

nn

nnr

coscos

coscos

21

21

+

= , (1)

onde pr e sr so as refletividades complexas em diferentes polarizaes, 1n e 2n so os ndices de refraocomplexos dos meios, e i e t so os ngulos de incidncia e de refrao. A reflectncia R a razo entre osfluxos de energia nos feixes refletido e incidente, e pode ser obtida experimentalmente. A relao entre arefletividade e a reflectncia :

2

12

12*

coscos

coscos

+

==

ti

tippp

nn

nnrrR

, (2)

onde pr e*

pr so respectivamente a refletividade e seu conjugado complexo, 1n e 2n so os ndices de refraoreais dos meios. As equaes para feixes em outras polarizaes so equivalentes. Uma aproximao pode serfeita no caso em que o feixe se propaga pela fibra ptica, onde o ngulo de incidncia do feixe no meio externo muito pequeno ( i e 0t ):

2

12

12

+

=

nn

nnR . (3)

A fibra ptica composta por trs partes, (i) revestimento polimrico, (ii) casca ptica e (iii) ncleo. Orevestimento polimrico aumenta a resistncia mecnica. Entretanto, a luz transportada no ncleo e na casca

ptica, sendo que o ncleo, que possui ndice de refrao (n1), forma o guia de onda, transportando o feixe pticono seu interior at a interface com lquido. Na figura 1 apresentado um esquema simplificado da fibra ptica ena figura 2 so apresentados os valores de refletncia calculados pela equao 3, considerando que o ndice derefrao do ncleo da fibra seja n1= 1,465, e os valores tericos de ndice de refrao da gua (n 2= 1,33), dolcool (n2= 1,37) e da gasolina (n2= 1,420,01).


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Figura 1: Representao esquemtica simplificada da interface entre a ponta da fibra e o meio lquido.

1,30 1,35 1,40 1,450,000

0,001

0,002

0,003

Gasolina

lcool

gua

n1 = 1,465

Refletncia(u.a.)

ndice de Refrao (n2)

Figura 2. Valores calculados de reflectncia utilizando a equao 3 para uma fibra ptica ( 1n ) em relao ao

meio externo ( 2n ) para os lquidos: gua, lcool e gasolina.

2.2 Procedimento Experimental

O aparato experimental constitudo por uma fonte de luz (laser com =1310nm, 10mW), um detector ptico(com acuracidade de 0,05 dB), e uma fibra ptica sensora, o que permite determinar a intensidade da luzrefletida na extremidade da fibra ptica imersa no combustvel.

Para a realizao das medidas foram preparadas 3 tipos de solues, sendo (a) lcool anidro e gasolina, (b)lcool hidratado e gasolina e (c) lcool hidratado e gua. As substncias utilizadas foram lcool etlico anidro99,5% (ECIBRA), gasolina comercial tipo C, e lcool hidratado comercial. Foram preparadas solues padresvariando as concentraes volumtricas de seus componentes de 10 em 10%.

Inicialmente, para determinar a influncia da ponta da fibra ptica sensora sobre a preciso da medida, foramrealizadas medidas de intensidades do feixe refletido, variando-se as condies de preparao das pontassensoras. Removeu-se o revestimento polimrico da fibra sensora, com comprimentos de 1, 3, 5 e 10 mm paraverificar a melhor condio experimental para realizao dos experimentos.

As perdas pticas provenientes das emendas e conexes no foram determinadas, sendo analisada apenas aintensidade que volta ao detector.

3. RESULTADOS

3.1 Estudo da Preciso da Medida em Funo da Ponta Sensora

Verificou-se que o desvio do erro relativo diminui bruscamente com o aumento do comprimento da regiosem revestimento polimrico, conforme apresentado na figura 3. Os melhores resultados dos desvios dos errosrelativos so para as fibras pticas sem revestimento de 5 e 10 mm, ou seja, a partir de determinado valor decomprimento, no h mais influncia sobre o desvio da medida. Entretanto, verificou-se tambm que ocomprimento da regio desencapada no deve ser maior do que 10 mm, pois a mesma torna-se frgil equebradia.

parte dafibra semrevestimento

2n

R1 lquido

fibra ptica

intensidade do feixe

R

1n


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0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

Gasolina e lcool AnidroGasolina e lcool Hidratado

lcool Hidratado e gua

DesvioRelativ

o(u.a.)

1 mm3 mm5 mm10 mm

Figura 3: Valores mdios dos desvios relativos dos erros para medidas com fibras pticas de diferentes pontas

em cada mistura.Esse resultado provocado pelo comportamento da luz nas regies prximas ponta da fibra, que no

descrito pelo mesmo estudo terico feito para a propagao da luz ao longo da fibra (Agrawal, 2003). Ainfluncia do revestimento sobre a propagao da luz na fibra maior nas regies prximas ponta, o queprovocou os desvios maiores nas medidas. Acima de 5 mm da fibra sem revestimento, no houve alteraosignificativa nos desvios, ou seja, essa regio no pode ser mais considerada prxima ponta, pois noinfluencia os efeitos que ocorrem na interface entre a fibra e o lquido.

3.2 Levantamento das Curvas de Calibrao

A ponta sensora com regio sem revestimento, 5 mm, foi usada para coletar medidas de intensidade refletidae montar curvas de calibrao para as misturas de lcool anidro com gasolina, lcool hidratado com gasolina e

para lcool hidratado e gua, apresentadas nas figuras 4 e 5.Verificou-se atravs dos resultados que a intensidade refletida aumenta conforme o aumento da concentrao

de lcool na gasolina. Tal efeito pode ser explicado pela curva terica apresentada na figura 2, na qual a reduo

do ndice de refrao implica no aumento do valor da intensidade do feixe refletido. O mesmo efeito pode serobservado para a mistura gua e lcool hidratado. Quando se mistura dois combustveis de ndices de refraodiferentes, tais como o lcool anidro e a gasolina, o ndice de refrao resultante ser proporcional aos valoresmdios das fraes volumtricas e dos ndices de refrao das substncias puras (Pandey 1999). Desta forma,sendo a intensidade refletida funo dos ndices de refrao da fibra ptica sensora, que neste caso possui ndiceconstante (1,465), e do meio lquido no qual est imersa, ento o efeito da variao da intensidade da luz ser

provocado pela variao do ndice de refrao do meio.Observou-se que a variao da intensidade do feixe refletido foi maior para a mistura lcool hidratado em

gasolina (de 4 dB para 6 dB), em relao a mistura de lcool anidro em gasolina (de 4 dB para 5,8 dB). Tal efeitopode ser explicado pelo fato do lcool hidratado possuir aproximadamente 6% de gua. Como a gua possuindice de refrao menor que do lcool, promove a reduo do ndice de refrao do lcool hidratado em relaoao lcool anidro. Desta forma, a faixa de valores de ndice de refrao aumenta, conseqentemente, aumentatambm a variao da intensidade do feixe refletido.

Utilizando-se os valores tericos de reflectncia, obtidos atravs da equao 3, e os dados experimentais davariao da intensidade refletida em funo da mistura analisada, foi montado o grfico da figura 6, a qualverifica-se que as curvas experimentais seguem a mesma tendncia das curvas tericas. O maior erro encontradofoi para a mistura lcool hidratado-gua, o que pode ter ocorrido devido s discrepncias entre os valorestabelados e os das propriedades dos produtos utilizados. Como a preciso em relao s curvas tericas menordo que a preciso das medidas, o sensor que utiliza essa tcnica deve utilizar curvas de calibrao experimentais

para poder obter valores mais precisos.


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0 20 40 60 80 100

4,0

4,5

5,0

5,5

6,0

Intens

idadeRefletida(dB)

100% de lcool Anidro 0% de Gasolina

0% de lcool Anidro100% de Gasolina

Dados ExperimentaisAjuste Polinomial

0 20 40 60 80 100

4,0

4,5

5,0

5,5

6,0

100% de lcool Hidratado 0% de Gasolina

0% de lcool Hidratado100% de Gasolina

Intensid

adeRefletida(dB)


(a) (b)

Figura 4: Efeito da concentrao da mistura na intensidade refletida para as solues (a) lcool anidro-gasolina,(b) lcool hidratado-gasolina.

0 20 40 60 80 1005,8

6,0

6,2

6,4

6,6

6,8

7,0

7,2

7,4

100% de lcool Hidratado 0% de gua

0% de lcool Hidratado 100% de gua

IntensidadeRefletida(dB)


Figura 5: Efeito da concentrao da mistura na intensidade refletida para a soluo lcool hidratado-gua.

Figura 6: Variao da intensidade refletida e da reflectncia terica em funo dasconcentraes das misturas analisadas (linha continua corresponde a reflectncia, e os tringulos, crculos e

quadrados correspondem a intensidade refletida relativa).

4. CONCLUSES

A remoo do revestimento polimrico da ponta da fibra ptica sensora, no comprimento de 5 a 10 mm,apresentou reduo do desvio e maior preciso das medidas experimentais.

O sensor ptico apresentou tima resposta para as misturas de gasolina-lcool anidro, gasolina-lcoolhidratado e gua-lcool hidratado, apresentando desvio experimental menor do que 5%. A sensibilidade dosensor funo da diferena entre os ndices de refrao das substncias, sendo maior para as misturas entre


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gasolina e lcool. A tcnica de anlise apresentou-se satisfatria, sendo necessria a utilizao de curvas decalibrao para reduzir os erros experimentais.

A presente tcnica pode auxiliar na coleta de dados e informaes sobre os combustveis utilizados, emtempo real, sendo aplicado em toda a cadeia produtiva, desde refinarias, centrais de distribuio de combustveis,

postos de combustveis, at nos prprios veculos automotivos na determinao da concentrao de misturas decombustveis.

5. AGRADECIMENTOS

Os autores gostariam de agradecer FAPESP, CNPq, CNPq-RHAE e Capes pela concesso das bolsas efinanciamento pesquisa.

6. REFERNCIAS

AGRAWAL, G. P., Optical Fibers, In: Fiber-Optic Communication Systems, Wiley Interscience, p.23-76, 3edio, New York: John Wiley & Sons, 2003.

BAHARI, M. S., CRIDDLE, W. J., THOMAS, J. D. R., Spectrophotometric end-point phase-titrationdetermination of the adulteration of petrol with kerosene, Analitic Processes, v.28, p. 1416, 1991.

DUEKER, H., FRIESE, K., HAECKER, W., Lambda-Sensor with YD2oD3-Stabilized ZroD2-Ceramic for

Application in Automotive Emission Control Systems, SAE Technical Papers, 1977.KALLIGEROS, S., ZANNIKOS, F., STOURNAS, S., LOIS, E., Fuel Adulteration issues in Greece, Energy,v. 28, p. 15-26, 2003.

OLIVEIRA, de, F. S., TEIXEIRA, L. S. G., ARAJO, M. C. U., KORN, M., Screening analysis to detectadulterations in Brazilian gasoline samples using distillation curves, Fuel, v.83, p. 917923, 2004.

PAL, B. P., Fundamentals of Fiber Optics in Telecommunication and Sensor Systems, Wiley Eastern, NewDelhi, p. 551583, 1992.

PANDEY, J. D., VYAS, V., JAIN, P., DUBEY, G. P., TRIPATHI, N., DEY, R., Speed of Sound, Viscosity andRefractive Index of Multicomponent Systems, Journal of Molecular Liquids,v.81, 123-133, 1999.

ROSAS, B. P, Sensor Discriminativo a Fibra ptica para Deteco de Vazamentos em TanquesJaquetados, Nov. 2003, 81p , Dissertao (Mestrado em Engenharia Mecnica). Orientador: Braga, A. M.B., Pontifcia Universidade Catlica - Rio, Rio de Janeiro, 2003.

SELIM, Y. E. M., Effect of engine parameters and gaseous fuel type on the cyclic variability of dual fuel

engines, Fuel, v.85, p. 961-971, 2005.SUZUKI, C. K., Nanostructured silica glass for engineered photonic products,Proc. 5th Int. Conf. onMechanics and Materials in Design,pp. 8088, REF. A0114.0105 (CD-Rom), Porto, 2006.TAKENAKA, K., IIDA, K., SAWAKI, Y., SUGAI, S., MORITOMO, Y., NAKAMURA, A., Optical

Reflectivity Spectra Measured on Cleaved Surfaces of La1-xSrxMnO3: Evidence Against Extremely SmallDrude Weight, Journal of the Physical Society of Japan, v. 68, p. 1828-1831, 1999.

DETERMINATION OF CONCENTRATION OF FUELS MIXTURE BY OPTICAL SENSOR

The global interest on dual-fuel vehicles has demanded the development of new devices, such as the caseoptical fiber sensors for real time determination of the concentration of fuels mixture. The practice of fueladulteration that happens in several countries, such as the case of Brazil, has also contributed for the interest on

optical devices to check the quality of fuel. The present research reports a method to determine the concentrationratio of mixture of two types of fuels (liquids), such as alcohol and gasoline and alcohol and water. Calibrationcurves of different ratios of mixtures are determined, and also the dependence of measurement deviations basedon the types of sensor head.

Sensoring principle is based on the phenomenon of reflectivity of light that happens in the interface sensorand fuel. The reflected intensity is proportional to the refractive index difference of the sensor and the fuel, whilethe refractive index of a mixture is a function of the volumetric ratio of the substances, which allows thedetermination of the mixture concentration by the reflected intensity. The optimal type of sensor head was foundand used in order to make calibration curves with deviations less than 5% for each one of the studied mixtures:gasoline-ethanol, gasoline-alcohol fuel and alcohol fuel-water. The sensor performance was satisfactory and itshows that the technique can be easily applied to many of its potential applications, such as the case of thedetermination of fuel adulteration and dual fuel vehicles.

fuel concentration, adulteration, optical sensor, flex-fuel, reflectivity.

Os autores so os nicos responsveis pelo contedo deste artigo.

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