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Sensor óptico para medidas de altas correntes em geração e

transmissão elétricas.

Laboratorio de Telecomunicações e Ciencia e Engenharia de Materiais LOCEM-UFC

www.locem.ufc.br

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Equipe do Projeto

CoordenadorDr. Antonio Sergio Bezerra Sombra Doutor

Pesquisadores

Antonio Francisco Gomes Furtado Filho Doutorando Herbert de Oliveira Rodrigues DoutorandoMarcus Vinícius Pinheiro Lopes Mestrando

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Tópicos1.Introdução2.Objetivos3.Fundamentos Teóricos4.Metodologia5.Aparato Experimental6.Resultados e Discussões7.Conclusões8.Referências Bibliográficas9.Agradecimentos

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1.IntroduçãoO desenvolvimento de um sensor óptico de corrente de alta precisão permitirá o acesso a uma tecnologia com diversos diferencias com relação a tecnologia tradicional .

(*) Alta precisão sobre todo range de operação.(*) Pequeno peso e tamanho.(*) Utilizam-se dispositivos eletricamente passivos.(*) Excelente desempenho.(*) Baixos custos.(*) Instalação segura, fácil e flexível.

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2. Objetivos

A proposta do presente projeto é desenvolver estudos experimentais para um sensor de corrente.

Desejamos no decorrer do projeto:

(*) Desenvolver Elementos necessários para gerar um banco de dados de informações à modelagem do protótipo proposto;

(*) Analisar os equipamentos necessários para montagem do aparato experimental;

(*) Executar os experimentos necessários e analisar os resultados para aplicações de sensoriamento de corrente

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3. Fundamentos Teóricos

A figura abaixo, ilustra um caso especial de uma onda transversal eletromagnética (TE e TM) onde o campo elétrico oscila no eixo x e o campo magnético no eixo y. A direção de oscilação do campo elétrico indica o estado de polarização da luz. Para figura, por exemplo, a luz está polarizada linearmente no eixo x.

Quando vetor que descreve o campo elétrico em um ponto do espaço como uma função do tempo está sempre em uma mesma direção, a onda é dita linearmente polarizada.

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4. Fundamentos Teóricos

Efeito Faraday

A rotação do plano de polarização da luz que passa através de um meio submetido a um campo magnético alinhado paralelamente à direção de propagação da luz foi descoberta por M. Faraday em 1845.

Faraday descobriu que o plano de polarização de um feixe de luz polarizada, que atravessa um bloco de vidro, gira quando submetido a um forte campo magnético.

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3. Fundamentos Teóricos

Para materiais isotrópicos o ângulo de giro do plano de polarização da luz, θ, é proporcional à espessura do material, l, e a intensidade do campo magnético B:

VBl

dl temos que a integral do campo magnético ao longo de um caminho fechado de um condutor depende somente da corrente nesse condutor

ldBV V( ,T) .l. B

onde V(λ,T) , que depende do comprimento de onda da luz e da temperatura, é denominada constante de Verdet e é expressa no SI em [rad/T.m

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4. Metodologia

Faixa de operação até 250A com largura de banda de 60 Hz..

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5. Aparato Experimental

Bancada do aparato experimental. Nesta configuração temos a fibra óptica como fonte de sensoriamento. O sistema está organizado da seguinte forma:

Laser como fonte de luz infravermelho, conectado a um isolador óptico que por sua vez esta conectado na bobina de fibras envolta do condutor elétrico, em seguida a fibra é conectada a um colimador responsável por focalizar a luz num polarizador que sera detectada por um fotodetector.

A fonte elétrica é uma máquina de solda elétrica limitada a 80 a 250A.

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5. Aparato Experimental

Vidro rotator de Faraday

Nesta configuração temos o vidro rotator de Faraday como fonte de sensoriamento. O sistema está organizado da seguinte forma:

Laser como fonte de luz infravermelho, conectado a um isolador óptico que por sua vez esta conectado a um colimador responsável por focalizar a luz no vidro que em seguida é lançada num polarizador que em seguida deve ser detectada por um fotodetector.

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5.Aparato ExperimentalEquipamento Referência

Fonte de Laser 1550nm, 2.5 mW S1FC1550PM

Isolador Óptico IO-H-1550FC

Fibra Óptica P1-1550PM-FC-5 

Colimador 50-1550-FC

Medidor de Potência PM122D

Vidro Rotator de Faraday V= -96 rad/T*m ou -79.57 A/m ou -1206.10-4 rad/A

MR3- 2 5,5 x 50mm: 5,1 x 32mm:

Tabela 1 – Especificações dos Materiais comprados na Thorlabs®.

Componente Perdas

Laser 1550 ηm 0,05 dB (com 15 minutos de funcionamento)

Isolador Entre 0,3 e 0,7 dB

Fibra 0,2 dB

Colimador 0,2 dBTabela 2 – Perdas dos componentes segundo dados dos fabricantes.

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6. Resultados e DiscussõesPara mesma faixa de corrente 95A a 115 A. podemos notar um aumento na intensidade da luz detectada.

5m de fibra:0,184mW para 0.702mW

10m de Fibra0,175mW para 0,402mW

15m de fibra0,020mW para 0,0725mW

O aumento na intensidade da luz detectada se deve a ação do campo magnético gerado pela corrente elétrica, isso causa uma mudança no plano de polarização da luz permitindo-nos detectar mais luz a medida que a corrente elétrica aumenta.

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6. Resultados e Discussões

Para mesma faixa de corrente 95A a 115 A. podemos notar um aumento na intensidade da luz detectada.

Vidro,5 x 50mm:0.038mm para 0.042mm

Vidro 5,1 x 32mm:0.036mm para 0.037mm

Como o ângulo do plano de polarização da luz muda dependendo do comprimento do material usado para o sensoriamento, podemos observar que nestes resultados o vidro é menos sensível quando comparado com a fibra óptica.

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Baseado nos resultados iniciais dos experimentos até agora realizados nas duas técnicas de sensoriamento mostradas, podemos concluir que inicialmente quando usamos fibras ópticas, obtivemos maior sensibilidade do sensor quando utilizamos 15m de fibra para efeito de sensoriamento, observando uma maior faixa de leitura de corrente quando comparamos com os comprimentos de 5 e 10m. O resultado obtido foi uma curva de intensidade crescente com a intensidade da luz detectada variando de 0,020mW para 0,0725mW , quando variamos a corrente de 90 a 125 A. Estes resultados mostram uma maior eficiencia quando operamos com maiores comprimentos de fibra o que leva a maior eficiência do sensor para aplicações no sensoriamento de corrente.

• No segundo momento de nossos estudos utilizamos um vidro rotator de Faraday, obtivemos melhores resultados quando utilizamos o vidro rotator de Faraday de 5,5 x 50mm: O resultado obtido foi uma curva oscilante com a intensidade da luz detectada variando de 0.038mW para 0.042mW quando variamos a corrente de 90 a 125 A

6. Resultados e Discussões

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7.Conclusões

Nossos resultados iniciais com o sensor de corrente mostram que : obtivemos maior sensibilidade do sensor quando utilizamos 15m de fibra para efeito de sensoriamento, observando uma maior faixa de leitura de corrente quando comparamos com os comprimentos de 5 e 10m.

A configuração do sensor operando com o vidro rotator de Faraday apresentou-se com menor eficiência na transmissão óptica quando comparado com a configuração com fibra óptica

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A continuidade do presente trabalho estará associada ao refinamento das curvas de calibração alem do acompanhamento da variação temporal do sinal detectado, visando ao acompanhamento da qualidade do sinal elétrico excitador.

Uso de uma nova fonte geradora de corrente com possibilidade de valores de corrente mais intensas e com maior estabilidade do sinal gerado.

A combinação de todas as características citadas neste trabalho mostra a alta flexibilidade no uso destes sensores que agregam a versatilidade da tecnologia óptica no sensoriamento de correntes

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8. Referências Bibliográficas[1] C.K. Kao e G.A. Hockham, "Dielectric Fibre Surface Waveguides For Optical Frequencies", Proceedings of the IEE, vol. 113, n.O7, Julho 1966, pp. 1151-1158.[2] JA. Bucaro et al, "Fiber Optic Hydrophone", Journal of The Acoustical Society of America, vot, 62, n.O 5, Maio 1977, pp. 1302-1304.[3] Kumagai T., Ohnuki W., Yamamoto S., Hongo A., Sone I., “Optical.Fiber Sensors Applications at Hitachi Cable”, pp.35-38, 15th Optical Fiber Sensors Conference Technical Digest, USA, Maio 2002 [4] Sanders G.A., Blake J.N., Rose A.H, Rahmatian F., Herdman C.,“Commercialization of Fiber-Optic Current and Voltage Sensors atNxtPhase”, pp.31-34, 15th Optical Fiber Sensors Conference Technical[5] Bohnert K., Gabus P., Brändle H., Guggenbach P., “Fi-ber-optic dc current sensor for the electro-winning industry”, pp.210-213, 17thInternational Conference on Optical Fiber Sensors, Belgium, Maio 2005[6] J. L. Cruz, J. Marzal, M. V. Andrés, “An all-fiber RF modulation technique: frequency response calibration of optical detectors”, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 43, Nº 9, pp. 2361-2363, 1995.[7] W. Johnstone, “Optical detection”, en Principles of Modern Optical Systems, Editadopor Ivan Andonovic y Deepak Uttamchandani, Artech House, 1989.[8] M. C. Brain, “Coherent optical systems and networks”, en Principles of Modern Optical Systems, Vol. II, Editadopor Deepak Uttamchandani y Ivan Andonovic, Artech House, 1992.

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9. Agradecimentos

À Endesa pelo Apoio Financeiro.

Ao Laboratório de Telecomunicações e Ciência e Engenharia de Materiais (LOCEM)