Otimização na Detecção Harmônica de Monóxido de Carbono para Aplicações no Setor Elétrico

Otimização na Detecção Harmônica de Monóxido de Carbono para Aplicações no Setor Elétrico Ricardo A. de Lima1, Vladimir Homobono Soares2

Eduardo Fontana

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Departamento de Engenharia Eletrônica Departamento de Engenharia de Telecomunicações Universidade de Pernambuco, Recife-PE, Brasil [email protected]

Resumo—Este artigo descreve os avanços obtidos para o desenvolvimento de um sistema óptico/eletrônico de medição em tempo real de Monóxido de Carbono (CO), utilizando a técnica de detecção harmônica do espectro molecular a partir de um laser DFB operando em λ = 1568 nm a 25 Cº para aplicações no setor elétrico. O sistema é constituído do laser supracitado, além de controlador de laser dedicado, amplificador lock-in do tipo DSP, fotodetector, osciloscópio, computador pessoal e uma célula espectrométrica de 25,4 cm adaptada de um guia de onda planar. Foi monitorado o módulo do segundo harmônico em função da concentração de CO na célula. É descrito o procedimento experimental adotado para o aumento de sensibilidade do sistema sensor desenvolvido, que permitiu atingir um limite de detecção de 86 ppm de CO, um valor que permite transformar o protótipo em uma solução comercial. Palavras - chaves— Espectroscopia Óptica, Análise de Gases Dissolvidos, Detecção Harmônica, Laser DFB

I. INTRODUÇÃO No setor elétrico diversas técnicas de manutenção preventiva são utilizadas para avaliar a condição de operação dos equipamentos de potência utilizados em uma subestação. Entre elas, pode-se citar o monitoramento da temperatura da parte ativa, análise da tensão/corrente transformada e a avaliação de gases dissolvidos no óleo isolante do equipamento a partir da técnica DGA (do termo em inglês Dissolved Gas Analysis) [1], que geralmente se baseia na técnica de cromatografia gasosa e requer a extração de uma amostra do óleo para análise em laboratório [2-4]. Como produto de vários processos internos no equipamento, há um incremento nas concentrações de diferentes gases. Pequenas descargas elétricas geram H2, CO e CO2. Com o aumento da taxa de geração desses subprodutos, descargas de alta energia se manifestam, gerando um acréscimo na concentração de outros gases como CH4 e C2H2 [5]. Dada a potencialidade dessa técnica de manutenção preventiva para permitir a obtenção de diagnósticos mais rápidos e precisos nesses equipamentos, estamos trabalhando no desenvolvimento e otimização de um sistema de detecção óptica de baixas concentrações de gases para monitoração

Departamento de Eletrônica e Sistemas Universidade Federal de Pernambuco. Recife – PE, Brasil [email protected]

remota de falhas, com o emprego de detecção harmônica do espectro de absorção dos gases de interesse [6-11]. Neste artigo é descrita a instrumentação utilizada para o desenvolvimento e as estratégias experimentais adotadas para o aumento de sensibilidade do sistema sensor. Como demonstrado neste trabalho, conseguimos atingir um limite de detecção de aproximadamente 86 ppm de CO, o que torna a técnica viável comercialmente para aplicações no setor elétrico. II.

APARATO EXPERIMENTAL E PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO SISTEMA SENSOR

A técnica de detecção harmônica do espectro, também conhecida como espectroscopia de modulação do comprimento de onda é amplamente utilizada para medir gases que são fracamente absorvidos na região do infravermelho próximo [6-15]. O motivo de exploração desta área do espectro é a ampla disponibilidade de lasers, fibras e detectores de baixo custo na indústria de telecomunicações, além da possibilidade de desenvolvimento de sistemas sensores de monitoração remota [6-11]. A Fig. 1 mostra o diagrama esquemático do sistema sensor de detecção harmônica que foi desenvolvido e vem sendo aperfeiçoado por pesquisadores do LSI [6-11]. Usa-se um laser de diodo semicondutor tipo DFB — do termo inglês distributed feedback — com pigtail e encapsulamento tipo butterfly de 14 pinos, que emite no comprimento de onda específico do gás de interesse. Lasers DFB têm largura espectral cerca de 100 vezes menores do que a meia largura da linha de absorção de interesse, que é a ordem de 0,01 nm. O amplificador lock-in utilizado é do tipo DSP de duplo canal, modelo 7265 da Signal Recover®. O controlador LTC502 da Thorlabs® é o sistema de alimentação e controle de temperatura do lasers DFB. O controlador e o osciloscópio modelo TDS3052B da Tektronics® estão conectados a um PC a partir de uma porta GPIB e controlados através de um programa desenvolvido em Labview 8.0®. Este programa realiza a automação dos experimentos de espectroscopia com a varredura da corrente do laser DFB e aquisição do sinal de

saida do lock-in além de parâmetros de monitorado do laser obtidos a partir do controlador.

Fig.2. Célula espectrométrica utilizada no sistema de detecção harmônica do LSI.

pode ser detectada utilizando um amplificador lock-in [8-15], em que a saída deste equipamento, S (t ) , é dada por [16]: ∞

S (t ) = Fig.1. Diagrama esquemático do sistema de medição de detecção harmônica do LSI - Grupo de Fotônica.

A célula espectrométrica utilizada neste trabalho é mostrada na Fig.2. Trata-se de uma adaptação de um guia de onda retangular de microondas, com 25,4 cm de comprimento e flanges circulares. Além disso, ela possui lentes do tipo GRIN acopladas à fibra óptica e fixadas nas flanges de entrada e saída da célula por uma resina epóxi. Na saída, um conector FC é acoplado ao fotodetector. O fotodetector utilizado para ambas as células é o modelo DET 110 da Thorlabs®. Esse fotodetector possui responsividade de 0,95 W/A em 1568 nm, com área ativa de 0,8 mm2.

∑[ F cos(nωt) + Q sen(nωt )] n

n

(4)

n =0

em que

Fn =

2 − δn 0 T

T

2 − δn 0 T

T

∫ S (t) cos(nωt)dt

(5)

0

e

Qn =

∫ S (t )sen(nωt)dt

(6)

0

(1)

em que T representa o tempo de integração e δn0 é o delta de Kronecker [8-15]. As Eqs. (5) e (6) são, fornecem respectivamente, as componentes em fase e em quadratura do n-ésimo harmônico do sinal de saída do amplificador lock-in.

em que S0 é o valor da intensidade média e ∆S é a amplitude de modulação da intensidade. De forma semelhante, o comprimento de onda torna-se modulado na forma [8-15],

A medida de interesse na maioria dos experimentos de espectroscopia de gases é o módulo do n-ésimo harmônico do sinal, S n , que é insensível a flutuações de fase do sinal, dado por [16]

A intensidade do laser na entrada da célula espectroscópica é dada por [8-15]

S0 ( t ) = S0 + ∆S cos(ωt ),

λ0 ( t ) = λ0 + ∆λ cos(ωt ),

(2)

com λ0 representando o valor médio do comprimento de onda do laser e ∆λ a amplitude de modulação do comprimento de onda. A intensidade do laser, após a absorção em um meio de comprimento L é dada por [8-15]:

 N gás σmax γ 2 S (t ) = S0 (t ) exp − 2 2  [ λ(t ) − λ 0 ] + γ

 L. 

(3)

Devido à natureza não linear da secção transversal de absorção da linha, diferentes harmônicos são gerados na frequência de modulação. A amplitude de cada harmônico é proporcional à concentração de moléculas absorvedoras, que

Sn = Fn2 + Gn2

(7)

O amplificador lock-in atua também para suprimir a influência do ruído branco. Devido ao valor praticamente constante desse tipo de ruído, a sua densidade espectral de potência é representa matematicamente pela função impulso. Assim, o ruído branco é não-correlacionável com qualquer sinal, mesmo com outras amostras de ruído branco [17]. Considerando f(t) uma função que representa o ruído branco, não é possível determiná-la analiticamente, mas pode-se analisar a potência média do ruído f (t ) 2 e a densidade espectral do ruído constante, C, relacionados por:

f (t )2 =

C ∆ω 2π

(8)

em que ∆ω = ω2 − ω1 representa a banda equivalente do ruído. Em sistemas sofisticados, o valor de Δω é da ordem de 10-2 Hz [16-17]. A partir da banda equivalente do ruído é possível monitorar a partir do lock-in a tensão do ruído. De posse desta informação é possível estimar o limite de detecção do sistema, além da relação sinal/ruído esperada e também a mínima concentração de gás detectável. O cálculo da tensão de ruído do sistema, Vr é dada por [16-17]:

Vr = (Vrl )∆ω2

Eq. (10). Na 13ª e 14ª diluição foi necessário novo ajuste da faixa dinâmica para o valor de 60 dB, com valor de fundo de escala de 2 mV. Para concentrações abaixo de 86 ppm, o perfil do módulo do segundo harmônico apresentava-se distorcido, mesmo com o aumento da faixa dinâmica do amplificador lock-in.

(9)

onde Vrl é o valor de tensão adquirida pelo lock-in, dada em V

que representa um percentual de tensão do fundo de Hz escala do equipamento. Outro parâmetro importante de ajuste do lock-in é a faixa dinâmica, que está associada diretamente com o ajuste do fundo de escala da medição e do ganho que o amplificador tem que inserir para continuar a medir sinal válido, na frequência de referência. Matematicamente, a faixa dinâmica, DR , (do inglês Dynamic Range) é dada por [15]

 2  DR = 20log   − ACganho  SEN 

(10)

(a)

onde SEN é o valor de fundo de escala e AC ganho é o ganho inserido nas medições. III.

RESULTADOS E CONCLUSÕES

Foi realizado o experimento de detecção harmônica de CO. A temperatura de operação do laser foi ajustada para que o comprimento de onda de absorção máximo ocorresse com o laser polarizado em 82,5 mA. A banda equivalente do ruído para esse experimento foi de 0,112 Hz. A concentração inicial de CO em cada célula é diluída com Nitrogênio, a partir de um valor inicial de 707117 ppm e a cada diluição a concentração de CO nas células é reduzida pela metade. Devido ao alto valor de concentração no cilindro de CO, foram realizadas duas diluições consecutivas para cada medição. Esse procedimento foi repetido até que a concentração de CO na célula fosse igual a 690 ppm. Após essa concentração, foi realizada uma diluição para cada medição. Foi calculado o módulo do segundo harmônico a partir das medições do sinal em fase e quadratura.

(b)

O resultado das medições pode ser visualizado na Fig.3. O limite de detecção neste experimento ficou compreendido entre 174 ppm e 86 ppm de CO. Além disso, é possível verificar que os perfis dos módulos do segundo harmônico apresentam claramente um sinal de máximo, que coincide com o ponto de operação do laser para a máxima absorção. Até a décima diluição a reserva dinâmica do lock-in estava ajusta em 32 dB, o que corresponde a um fundo de escala de 50 mV. A partir da 11ª diluição, o fundo de escala foi ajustado para 20 mV, com DR de 40 dB. Para manter esse perfil na mesma escala das medidas anteriores, foi necessário dividir o sinal adquirido em 690 ppm por 8 dB, valor esse obtido a partir da (c) Fig.3(a), (b) e (c) - Gráficos do perfil do módulo do segundo harmônico de CO na célula espectrométrica de 25,4 cm. O segundo e terceiro gráficos representam uma amplificação do primeiro gráfico para melhor visualização dos perfis medidos.

O correto alinhamento da célula, a emenda direta da saída do laser na entrada da célula espectrométrica, o monitoramento da tensão de ruído, o ajuste da faixa dinâmica para a medição de concentrações inferiores a 690 ppm e o cálculo do módulo do segundo harmônico das medidas foram as estratégias de instrumentação adotadas para atingir a detecção mínima entre 172 e 86 ppm. A tensão de ruído monitorada foi de 395 µV. Verifica-se que a tensão do ruído é 4,76 vezes menor do que a tensão do ponto de máximo para a concentração de 86 ppm. Assim, considerando a relação linear entre o valor de pico e a concentração de gás no cilindro, estima-se que seria possível medir concentrações de até 18 ppm. O limite mínimo de CO detecção para o DGA é de 350 ppm, indicando que o sistema sensor nesta configuração pode ser aplicado para monitorar este gás no setor elétrico. Em comparação com alguns resultados obtidos da literatura, Engelbret et. al [18], Hangauer et. al [19] e Korman et. al. [20] conseguiram medir respectivamente 5 ppm; 0,11 ppm e 0,2 ppb ( partes por bilhão) de CO utilizando a técnica de detecção harmônica do espectro molecular e, em específico, a partir da análise do segundo harmônico. Todavia, em [18] foi utilizada uma célula espectrométrica de 1 m além de um aparato óptico para monitoração de sinais de referência e emprego de polarizadores para ajustar o feixe do laser. Em [19] foi utilizado um laser com comprimento de onda central de 2,3 µm e, nessa região espectral, a secção transversal de absorção é cerca de 50 vezes mais intensa do que no comprimento de onda central de 1568 nm. O comprimento da célula espectrométrica usada em [61] é de 40 cm. Em [20] foi utilizado um laser com comprimento de onda central em 4,6 µm. Nessa região, a linha exibe uma secção transversal de absorção cerca de 20000 vezes mais forte quando comparada com a região do infravermelho próximo (1,2 - 1,6 µm), além de utilizar uma célula de múltiplas passagens com comprimento de interação total de 36 m. Assim, os resultados obtidos neste trabalho com a detecção harmônica de CO, utilizando um laser de 1568 nm e uma célula espectrométrica de única passagem de 25,4 cm, obtendo-se uma detecção mínima de 86 ppm mostra-se relevante, considerando o aparato instrumental mais simples em comparação aos trabalhos relatados em [18-20]. O limite de detecção de CO exigido em DGA em óleo isolante é de 350 ppm e consequentemente a estratégia de obtenção do sinal, conforme proposta neste trabalho, teria a sensibilidade adequada para aplicações em DGA em tempo real. Ademais, o custo, a simplicidade na construção e alinhamento dessa célula espectrométrica são atrativos para o desenvolvimento do protótipo simples de monitoração remota, em comparação com as células de múltiplas passagens.

Agradecimentos Este trabalho teve o apoio financeiro da Companhia Hidro Elétrica do São Francisco (CHESF), da FACEPE, da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) e do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq).

Referências [1]

T.Saha, “Review of Modern Diagnostic Techniques for Assessing Insulation Condition in Aged Transformers”. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, Vol. 10, No. 5, pp. 903-917, 2003.J. Clerk Maxwell, A Treatise on Electricity and Magnetism, 3rd ed., vol. 2. Oxford: Clarendon, 1892, pp.68-73.

[2]

H. Okan, T. Yamoto “Proposals for an Improvement in Transformer Diagnosis Using Dissolved Gas Analysis (DGA)”. IEC Publications, Vol. 11, No. 6, pp. 15-21, 1995.

[3]

M. Duval, A. Depablo, “Interpretation of Gas-In-Oil Analysis Using New IEC Publication 60599 and IEC TC 10 Databases”. IEC Publications, Vol. 17, No. 2, pp. 31-41, 2001.

[4]

S. Ward, “Evaluating Transformer Condition Using DGA Oil Analysis”. In: Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena (Oct. 2003: Albuquerque, New Mexico). Annals. New Mexico, 2003. pp. 463-468.

[5]

IEEE Power & Energy Society. “IEEE Guide for the Interpretation of Gases Generated in Oil-Immersed Transformers”, C57.104™. New York, 2009.I.S. Jacobs and C.P. Bean, “Fine particles, thin films and exchange anisotropy,” in Magnetism, vol. III, G.T. Rado and H. Suhl, Eds. New York: Academic, 1963, pp. 271-350.

[6]

E. Fontana, L. M. B. A. Urtiga, J.F. Martins-Filho, “Feassibility of the Modulation Spectroscopy Technique for Dissolved Gas Analysis of Insulating Oils of High Voltage Transformers,” in International Microwave & Optoelectronics Conference - IMOC, Salvador, Annals, 2007. pp. 229-233.

[7]

E. Fontana, L. M. B. A. Urtiga, J.F. Martins-Filho, “Sensor System for Fault Detection of High Voltage Transformers”, in IEEE Sensors Conference, Lecce, Annals, 2008. pp. 1368- 1370.

[8]

V. H. Soares, C. Moraes, R. A. Lima, E. Fontana, J.F. Martins-Filho, “Contributions to the Optimization of an Optical Sensor for Acetylene and Carbon Monoxide.” in SBMO/IEEE MTT-S International Microwave and Optoelectronics Conference, Natal, Annals, 2011. v. 1. p. 819-823.

[9]

R. A. Lima, V. H. Soares, E. Fontana, “Progresso no Desenvolvimento de um Sistema de Detecção Harmônica de Monóxido de Carbono para Aplicações no Setor Elétrico.” em MOMAG 2012, João Pessoa, Anais do MOMAG 2012, 2012. p. 1-6.

[10] V. H. Soares, R. A. Lima, V. B. Gomes, E. Fontana, “Limite de Detecção de Acetileno em uma Célula Espectrométrica de 25,4 cm Projetada para Aplicações no Setor Elétrico” em MOMAG 2014, Curitiba, Anais do MOMAG 2014,2014. p. 1-5. [11] Vladimir Homobono Soares. Otimização de um sensor óptico para detecção específica de gases dissolvidos em óleo de transformador. Recife, 2010. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica). Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Pernambuco.K. Elissa, “Title of paper if known,” unpublished. [12] G. J. Fetzer, A. S. Ryder, D. A. Brown, “Tunable diode laser absorption spectroscopy in coiled hollow optical waveguides”, Applied Optics, Vol. 41, Nº 18 pp. 3613-3621, 2002. [13] L. C. Philippe; R. K. HANSON, “Laser diode wavelength-modulation spectroscopy for simultaneous measurement of temperature, pressure and velocity in shock-heated oxygen flows” Applied Optics, Vol 32, No 30, Oct 1993. [14] X. Zhu; D.T. Cassidy, “Modulation Spectroscopy with a semiconductor diode laser by injection-current modulation,” Optical Society of America, Vol 14, No 8, Aug 1997. [15] P. Kluczynski; J. Gustafsson; Å. M. Lindeberg; O. Axner, “Wavelength modulation absorption spectrometry” – an extensive scrutiny of the

generation of signals” Spectrochimica Acta Part B, 2001.LOU, X. T., SOMESFALEAN, G., ZHANG, Z. G., [16] M. Mead, “Lock-in amplifiers: principles and applications”, IEEE electrical measurement series, 1983. [17] S. Haykin, “Communication system”, Vol.1, 1st ed. John Wiley &Sons, LTD, 2009. [18] R. Engelbrecht, “A compact NIR fiber-optic diode laser spectrometer for CO and CO2: analysis of observed 2f wavelength modulation spectroscopy line shapes”, Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular, Vol. 60, Nº 14, pp. 3291–3298, 2004.

[19] A. Hangauer, J. Chen, R. Strzoda, M. Ortsiefer, M. C. Amann, “Wavelength modulation spectroscopy with a widely tunable InP-based 2.3 μm vertical-cavity surface-emitting laser”, Applied Optics, Vol. 33, Nº 14, pp. 1566-1568, 2008. [20] A. Kosterev, Y. A. Bakhirkin, F. K. Tittel, “Ultrasensitive gas detection by quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy in the fundamental molecular absorption bands region”, Applied Physics B, Vol. 80, Nº 1, pp. 133-138, 2008.