793 resultados para Sensor em fibra
Resumo:
Dissertao apresentada na Faculdade de Cincias e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obteno do grau de Mestre em Instrumentao, Manuteno Industrial e Qualidade
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Esta tese dedicada aos sensores de fibra tica especificamente aos sensores baseados no fenmeno de ressonncia de plasmo de superfcie, SPR (Surface Plasmon Resonance), gerados em fibras ticas com configurao do tipo D, para aplicao em sensores refratomtricos. Numa primeira parte desta dissertao so descritos os aspetos tericos fundamentais para a compreenso dos fenmenos de ressonncia de plasmes de superfcie e a sua utilizao em sistemas sensores. Estes fenmenos ocorrem na superfcie de interface entre metais e outros meios materiais, sendo capazes de afetar as propriedades em reflexo e transmisso de uma onda eletromagntica incidente (feixe luminoso), de uma forma que fortemente dependente dos meios na proximidade do metal. Assim, a medio das propriedades do feixe luminoso, como por exemplo o comprimento de onda de ressonncia com SPR, permite monitorizar esses meios. Numa segunda fase foi implementada a simulao destes modelos, em COMSOL Multiphysics, que permitia no s a obteno dos espetros de transmisso dos fenmenos de ressonncia de plasmes de superfcie, mas tambm a obteno das distribuies do campo eltrico e magntico em funo das dimenses do sensor. O COMSOL permitiu tambm a obteno das curvas do deslocamento do comprimento de onda ressonante, perante variaes do ndice de refrao exterior, da espessura do metal, da espessura da bainha e da espessura de outro elemento de elevado ndice de refrao. A fase seguinte foi verificar que os resultados dos mtodos tericos para os diferentes parmetros de estudo eram semelhantes aos resultados obtidos no COMSOL. Conclui-se que com este programa possvel criar novos sensores em fibra tica, baseados em SPR, para melhorar e otimizar os parmetros de ressonncia e sensibilidade do sensor. A ltima fase do trabalho baseou-se na modelizao de uma fibra cuja configurao seja tal que possa criar um pequeno efeito de antena e fazer com que parte da luz seja guiada para o exterior da fibra e possa interatuar com o meio externo para melhor sensibilidade.
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O presente trabalho descreve duas tcnicas de deteo de gs baseadas em fibra tica e apresenta dois sistemas sensores testados em ambiente laboratorial, usando tcnicas de processamento de sinal usualmente associadas espetroscopia de absoro. O estudo inicial do estado da arte dos sensores baseados em fibra tica para a deteo de gases apresenta solues com elevada seletividade, sensibilidade e resoluo que permitem tempos de resposta curtos e esquemas de multiplexagem versteis. A tcnica de espetroscopia de absoro direta (DAS) permite a deteo de gases de forma simples e com alguma eficcia, mas com uma baixa relao-sinal-ruido. A espetroscopia por modulao de comprimento de onda (WMS) uma tcnica muito eficaz e de elevada sensibilidade para a deteo de gases, dado que a deteo deslocada para frequncias afastadas do rudo base, melhorando significativamente a relao-sinal-rudo. Estas tcnicas foram escolhidas para a implementao de dois sistemas optoeletrnicos, totalmente controlados pelas respetivas aplicaes em LabVIEW para a deteo e monitorizao de amnia (NH3), dixido de carbono (CO2) e metano (CH4). O trabalho finalizado com a caraterizao laboratorial dos sistemas e avaliao do desempenho, permitindo a otimizao dos sistemas e tcnicas implementados. De referir que o trabalho realizado nas instalaes da Unidade de Optoeletrnica e Sistemas Eletrnicos (UOSE) do Instituto de Engenharia de Sistemas e Computadores (INESC), Tecnologia e Cincia (TEC), laboratrio associado coordenado pelo INESC Porto, permitiu, excelentes condies de trabalho, essenciais para implementar de forma prtica os diversos conceitos estudados, bem como testar e caraterizar todos os sistemas desenvolvidos em ambiente laboratorial. O trabalho desenvolvido enquadra-se no mbito do projeto europeu ECOAL-MGT (Gesto ecolgica de pilhas de resduos de carvo), que ser implementado para monitorizao remota de parmetros fundamentais de uma escombreira de carvo em auto-combusto em S.Pedro da Cova, Portugal.
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Coordenao de Aperfeioamento de Pessoal de Nvel Superior (CAPES)
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O presente trabalho descreve duas tcnicas de deteo de gs baseadas em fibra tica e apresenta dois sistemas sensores testados em ambiente laboratorial, usando tcnicas de processamento de sinal usualmente associadas espetroscopia de absoro. O estudo inicial do estado da arte dos sensores baseados em fibra tica para a deteo de gases apresenta solues com elevada seletividade, sensibilidade e resoluo que permitem tempos de resposta curtos e esquemas de multiplexagem versteis. A tcnica de espetroscopia de absoro direta (DAS) permite a deteo de gases de forma simples e com alguma eficcia, mas com uma baixa relao-sinal-ruido. A espetroscopia por modulao de comprimento de onda (WMS) uma tcnica muito eficaz e de elevada sensibilidade para a deteo de gases, dado que a deteo deslocada para frequncias afastadas do rudo base, melhorando significativamente a relao-sinal-rudo. Estas tcnicas foram escolhidas para a implementao de dois sistemas optoeletrnicos, totalmente controlados pelas respetivas aplicaes em LabVIEW para a deteo e monitorizao de amnia (NH3), dixido de carbono (CO2) e metano (CH4). O trabalho finalizado com a caraterizao laboratorial dos sistemas e avaliao do desempenho, permitindo a otimizao dos sistemas e tcnicas implementados. De referir que o trabalho realizado nas instalaes da Unidade de Optoeletrnica e Sistemas Eletrnicos (UOSE) do Instituto de Engenharia de Sistemas e Computadores (INESC), Tecnologia e Cincia (TEC), laboratrio associado coordenado pelo INESC Porto, permitiu, excelentes condies de trabalho, essenciais para implementar de forma prtica os diversos conceitos estudados, bem como testar e caraterizar todos os sistemas desenvolvidos em ambiente laboratorial. O trabalho desenvolvido enquadra-se no mbito do projeto europeu ECOAL-MGT (Gesto ecolgica de pilhas de resduos de carvo), que ser implementado para monitorizao remota de parmetros fundamentais de uma escombreira de carvo em auto-combusto em S.Pedro da Cova, Portugal.
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Coordenao de Aperfeioamento de Pessoal de Nvel Superior (CAPES)
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Dada a necessidade de obtermos sistemas monitorizados com elevada preciso, de grande durabilidade e resistentes s condies atmosfricas, surgiu a possibilidade de aplicao das fibras pticas como sensores para monitorizao de presso. Nesse contexto, as fibras hetero-core (fibra ptica composta por uma fibra multimodo entre duas fibras pticas monomodo) e a utilizao de lentes GRIN (GRaded INdex) em conjunto com superfcies reflectoras permitem a determinao da presso e so objecto de estudo desta dissertao. Em termos de aplicao, o objectivo principal desta tese de mestrado foi de proporcionar o projecto e desenvolvimentos da medida de presso em 48 pontos para um tanque de estudo dos fenmenos de percolao da gua nos solos e que pertencente Seco de Geotecnia do Departamento de Engenharia Civil da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. Inicialmente, foi caracterizado um sistema contendo uma fibra hetero-core qual foi aplicada uma curvatura, com auxlio de uma carruagem micromtrica. Este sistema permitiu a simulao do mesmo efeito de aplicao de presso fibra hetero-core. Na configurao seguinte, usou-se um OTDR (Optical Time Domain Reflectometer) para visualizao e registo das perdas encontradas durante o processo de dobrar e esticar da fibra hetero-core. Ao longo deste registo, vrias configuraes foram testadas at ser encontrada a cabea sensora com melhor comportamento para monitorizar a presso. A multiplexagem foi conseguida ao colocar dois sensores em srie, sendo cada um deles constitudo por uma fibra hetero-core colocada no fundo de um tubo de gua disposto verticalmente. Com a adio da gua no tubo de gua, a curvatura na fibra hetero-core aumentava, notando-se claramente que as perdas tambm subiam. Os resultados obtidos nesta configurao foram bastante satisfatrios permitindo a independncia entre os dois sensores dispostos em srie. Posteriormente, foi testada uma nova configurao sensora, o sensor de fibra ptica para monitorizao de presso foi construdo com recurso a uma lente GRIN e uma superfcie reflectora. Esta lente, disposta diante de um espelho, permitiu emitir e captar luz de um determinado comprimento de onda devido reflexo do sinal luminoso no espelho. Com sucessivos incrementos, afastou-se e aproximou-se a lente ao espelho, registando-se e observando-se as perdas de potncia obtidas com auxlio do OTDR. Tambm para esta configurao foi testada a multiplexagem de vrios sensores, tendo sido utilizadas as seguintes opes: um acoplador de 2:1; um acoplador 4:1 e um comutador ptico. Verificou-se que a utilizao de um comutador ptico o melhor caso para a monitorizao de presso de mltiplos sensores. A multiplexagem com recurso ao comutador foi possvel, uma vez que permitia a medio independente de cada sensor de presso num determinado tempo. Com este resultado, possvel monitorizar 48 sensores com recurso ao OTDR, multiplexados temporalmente. Toda esta implementao prtica da dissertao foi realizada nas instalaes da Unidade de Optoelectrnica e Sistemas Electrnicos no INESC Porto, onde foram caracterizados e estudados sensores com diferentes caractersticas que podero ser lidas neste documento. A componente terica foi efectuada na Universidade da Madeira.
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Fundao de Amparo Pesquisa do Estado de So Paulo (FAPESP)
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Ao longo dos ltimos anos, vrios esforos e estudos foram feitos com o objetivo de colocar a fibra tica no mercado, como um sistema preferencial de monitorizao das mais diversas obras de Engenharia. Os sensores baseados na tecnologia em fibra tica apresentam vantagens reconhecidas pelos mais diversos especialistas, sendo atualmente reconhecida como uma das solues mais eficazes. Na engenharia Civil, a monitorizao das grandes obras tem ganho uma importncia crescente. Neste contexto, a monitorizao de convergncias em tneis visa o controlo da respectiva integridade estrutural ao longo da construo e a explorao da obra. Atualmente a soluo de monitorizao estrutural de tneis utilizada pela FiberSensing uma soluo desenhada em conjunto com a EPOS e o Cegeo (IST), baseada em sensores de Bragg em Fibra tica: o SysTunnel. O objetivo do estudo de uma soluo alternativa encontra-se no facto do SysTunnel apresentar algumas debilidades no algoritmo de clculo, sendo para o seu clculo necessrio a introduo de um parmetro relacionado com o solo envolvente do tnel, facto que introduz incertezas no clculo das convergncias. O presente relatrio tem como finalidade documentar o estgio curricular realizado na FiberSensing, entre 01/02/2014 a 31/07/2014. Este estgio teve como objetivo o desenvolvimento de uma soluo alternativa de monitorizao estrutural baseada na tecnologia das redes de Bragg para a monitorizao das convergncias em tneis.
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Dissertao de mestrado integrado em Engenharia Eletrnica Industrial e de Computadores
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Fruto da crescente preocupao face bioacumulao e bioconcentrao de poluentes e conscientizao dos efeitos do aquecimento global, nos ltimos anos tm sido adoptadas inmeras aces e medidas que visam o controlo de parmetros indicadores da qualidade do meio, a deteco de substncias potencialmente perigosas e a promoo/utilizao de energias alternativas no poluentes. Neste mbito, a monitorizao em tempo real revela-se fundamental para a anlise contnua do equilbrio dos ecossistemas. Neste contexto, os sensores de fibra ptica, mais concretamente os sensores qumicos em fibra ptica possuem um conjunto de caractersticas, como por exemplo a miniaturizao, baixo custo, versatilidade, biocompatibilidade, capacidade de monitorizao remota, que representam uma alternativa tecnolgica e economicamente vivel. Por outro lado, a utilizao de redes de difraco em sensores de fibra ptica, em adio uma mais-valia para este tipo de sistemas, as redes de perodo longo pela sua sensibilidade intrnseca ao ndice de refraco, e as redes de Bragg pela sua facilidade de interrogao e facilidade de multiplexagem. A presente dissertao tem por objectivo o estudo, desenvolvimento e anlise de sensores em fibra ptica para monitorizao de espaos ambientais. O presente documento encontra-se organizado em cinco captulos. O captulo 1 faz um enquadramento dos sensores de fibra ptica para monitorizao ambiental dando relevo aos sensores qumicos em fibra ptica. No captulo 2 expe-se o conjunto de conceitos necessrios para a compreenso do trabalho. A comear pelas redes de difraco em fibra ptica e a suas potencialidades como elementos sensores. Algumas configuraes foram detalhadas assim como alguns princpios para interrogao das mesmas. A medio multi-parmetro e o fabrico de membranas de sensibilidade selectiva so tambm abordados. O Capitulo 3 refere a primeira configurao desenvolvida, trata-se de um sensor interferomtrico baseado numa cavidade Fabry-Prot, constitudo por uma rede de Bragg e a reflectividade da ponta da fibra. O objectivo do sensor a monitorizao do cido actico e outras espcies carboxlicas em bioreactores. Para tornar a configurao sensvel ao cido foi aplicado um revestimento de Silane-PVP extremidade da fibra. A configurao sensora demonstrada aufere de caractersticas favorveis, como excelente resoluo, resposta linear, no utilizao de indicadores, leitura em reflexo e o facto de operar na janela espectral das telecomunicaes. O Captulo 4 apresenta a segunda configurao desenvolvida que tem por objectivo a medio simultnea de salinidade e temperatura. A medio de salinidade baseada no ndice de refraco. Trata-se de um sensor de intensidade auto-referenciado, baseado em trs redes de difraco. Uma rede de perodo longo sensvel ao ndice de refraco e temperatura e duas redes de Bragg, para interrogao da da rede de perodo longo e compensao de temperatura. Para discriminao dos parmetros de interesse foi utilizado o mtodo matricial. A configurao exposta exibe caractersticas favorveis, como excelente resoluo, resposta linear, discriminao de ndice de refraco e temperatura, leitura em reflexo e o facto de operar na janela espectral das telecomunicaes. O Capitulo 5 contm as concluses e comentrios finais ao trabalho. No final da tese seguem-se os anexos, onde se encontram as publicaes e comunicaes resultantes do trabalho realizado.
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As fibras pticas so utilizadas em diferentes reas e nas mais variadas aplicaes. Na Engenharia Civil comearam a ser utilizadas no monitoramento de estruturas como alternativa de substituio dos tradicionais sensores eltricos. Este trabalho tem como objetivo estudar a aplicao e viabilidade dos sensores a base de fibra ptica no monitoramento de grandes estruturas da engenharia civil. Para avaliao dos resultados, foram realizados trs diferentes tipos de testes experimentais onde corpos-de-prova foram instrumentados com extensmetros eltricos e pticos. O primeiro tipo de teste correspondeu a ensaios de trao simples em barras de ao com carregamento monotnico at o rompimento de barras de ao. No segundo tipo de teste foi estudada a automao de um medidor triortogonal de junta que um instrumento tipicamente utilizado para a instrumentao de barragens de concreto. Finalmente o ltimo tipo de testes foi constitudo por ensaios de cilindros de concreto compresso para a determinao do mdulo de elasticidade. Com relao utilizao dos sensores pticos, durante a realizao dos testes surgiram muitos problemas relacionados com a unidade ptica de aquisio de dados sendo necessria a utilizao de trs diferentes modelos de unidade de aquisio para a concluso dos testes. No que se refere exatido dos resultados, observou-se que os resultados apresentados pelos sensores pticos foram compatveis com os resultados dos sensores eltricos. Entretanto, quando os sensores pticos foram solicitados por grandes deformaes implicaram em perda de sinal devido interrupo do fluxo de luz, inabilitando o sensor para leituras.
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En esta tesis doctoral se describe el trabajo de investigacin enfocado al estudio y desarrollo de sensores de fibra ptica para la deteccin de presin, flujo y vibraciones en ductos ascendentes submarinos utilizados en la extraccin y transporte de hidrocarburos, con el objetivo de aplicarlos en los campos de explotacin de aguas profundas en el Golfo de Mxico pertenecientes a la Industria Petrolera Mexicana. El trabajo se ha enfocado al estudio y desarrollo de sensores pticos cuasi distribuidos y distribuidos. En especial se ha profundizado en el uso y aplicacin de las redes de Bragg (FBG) y de reflectmetros pticos en el dominio del tiempo sensible a la fase (-OTDR). Los sensores de fibra ptica son especialmente interesantes para estas aplicaciones por sus ventajosas caractersticas como su inmunidad a interferencias electromagnticas, capacidad de multiplexado, fiabilidad para trabajar en ambientes hostiles, altas temperaturas, altas presiones, ambientes salino-corrosivos, etc. Adems, la fibra ptica no solo es un medio sensor sino que puede usarse como medio de transmisin. Se ha realizado un estudio del estado del arte y las ventajas que presentan los sensores pticos puntuales, cuasi-distribuidos y distribuidos con respecto a los sensores convencionales. Se han estudiado y descrito los interrogadores de redes de Bragg y se ha desarrollado un mtodo de calibracin til para los interrogadores existentes en el mercado, consiguiendo incertidumbres en la medida de la longitud de onda menores de 88 nm e incertidumbres relativas (la mas interesante en el campo de los sensores) menores de 3 pm. Centrndose en la aplicacin de las redes de Bragg en la industria del petrleo, se ha realizado un estudio en detalle del comportamiento que presentan las FBGs en un amplio rango de temperaturas de -40 C a 500 oC. Como resultado de este estudio se han evaluado las diferencias en los coeficientes de temperatura en diversos tramos de mas mismas, as como para diferentes recubrimientos protectores. En especial se ha encontrado y evaluado las diferencias de los diferentes recubrimientos en el intervalo de temperaturas entre -40 C y 60 C. En el caso del intervalo de altas temperaturas, entre 100 C y 500 C, se ha medido y comprobado el cambio uniforme del coeficiente de temperatura en 1pm/C por cada 100 C de aumento de temperatura, en redes independientemente del fabricante de las mismas. Se ha aplicado las FBG a la medicin de manera no intrusiva de la presin interna en una tubera y a la medicin del caudal de un fluido en una tubera, por la medida de diferencia de presin entre dos puntos de la misma. Adems se ha realizado un estudio de deteccin de vibraciones en tuberas con fluidos. Finalmente, se ha implementado un sistema de deteccin distribuida de vibraciones aplicable a la deteccin de intrusos en las proximidades de los ductos, mediante un -OTDR. En este sistema se ha estudiado el efecto negativo de la inestabilidad de modulacin que limita la deteccin de vibraciones distribuidas, su sensibilidad y su alcance. ABSTRACT This thesis describes the research work focused for the study and development of on optical fiber sensors for detecting pressure, flow and vibration in subsea pipes used in the extraction and transportation of hydrocarbons, in order to apply them in deepwater fields in the Gulf of Mexico belonging to the Mexican oil industry. The work has focused on the study and development of optical sensors distributed and quasi distributed. Especially was done on the use and application of fiber Bragg grating (FBG) and optical reflectometers time domain phase sensitive (-OTDR). The optical fiber sensors especially are interesting for these applications for their advantageous characteristics such as immunity to electromagnetic interference, multiplexing capability, reliability to work in harsh environments, high temperatures, high pressures, corrosive saline environments, etc. Furthermore, the optical fiber is not only a sensor means it can be used as transmission medium. We have performed a study of the state of the art and the advantages offered by optical sensors point, quasi-distributed and distributed over conventional sensors. Have studied and described interrogators Bragg grating and has developed a calibration method for interrogators useful for the existing interrogators in the market, resulting uncertainty in the measurement of the wavelength of less than 0.17 nm and uncertainties (the more interesting in the field of sensors) less than 3 pm. Focusing on the application of the Bragg gratings in the oil industry, has been studied in detail the behavior of the FBGs in a wide range of temperatures from -40 C to 500 oC. As a result of this study we have evaluated the difference in temperature coefficients over various sections of the same, as well as different protective coatings. In particular evaluated and found the differences coatings in the range of temperatures between -40 C and 60 C. For the high temperature range between 20 C and 500 C, has been measured and verified the uniform change of the temperature coefficient at 1pm / C for each 100 C increase in temperature, in networks regardless of manufacturer thereof. FBG is applied to the non-intrusive measurement of internal pressure in a pipeline and measuring flow of a fluid in a pipe, by measuring the pressure difference between two points thereof. Therefore, has also made a study of detecting vibrations in pipes with fluids. Finally, we have implemented a distributed sensing system vibration applied to intrusion detection in the vicinity of the pipelines, by -OTDR. In this system we have studied the negative effect of modulation instability limits the distributed vibration detection, sensitivity and scope.
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Los sensores de fibra ptica son una tecnologa que ha madurado en los ltimos aos, sin embargo, se requiere un mayor desarrollo de aplicaciones para materiales naturales como las rocas, que por ser agregados complejos pueden contener partculas minerales y fracturas de tamao mucho mayor que las galgas elctricas usadas tradicionalmente para medir deformaciones en las pruebas de laboratorio, ocasionando que los resultados obtenidos puedan ser no representativos. En este trabajo fueron diseados, fabricados y probados sensores de deformacin de gran rea y forma curvada, usando redes de Bragg en fibra ptica (FBG) con el objetivo de obtener registros representativos en rocas que contienen minerales y estructuras de diversas composiciones, tamaos y direcciones. Se presenta el proceso de elaboracin del transductor, su caracterizacin mecnica, su calibracin y su evaluacin en pruebas de compresin uniaxial en muestras de roca. Para verificar la eficiencia en la transmisin de la deformacin de la roca al sensor una vez pegado, tambin fue realizado el anlisis de la transferencia incluyendo los efectos del adhesivo, de la muestra y del transductor. Los resultados experimentales indican que el sensor desarrollado permite registro y transferencia de la deformacin fiables, avance necesario para uso en rocas y otros materiales heterognos, sealando una interesante perspectiva para aplicaciones sobre superficies irregulares, pues permite aumentar a voluntad el tamao y forma del rea de registro, posibilita tambin obtener mayor fiabilidad de resultados en muestras de pequeo tamao y sugiere su conveniencia en obras, en las cuales los sistemas elctricos tradicionales tienen limitaciones. ABSTRACT Optical fiber sensors are a technology that has matured in recent years, however, further development for rock applications is needed. Rocks contain mineral particles and features larger than electrical strain gauges traditionally used in laboratory tests, causing the results to be unrepresentative. In this work were designed, manufactured, and tested large area and curved shape strain gages, using fiber Bragg gratings in optical fiber (FBG) in order to obtain representative measurement on surface rocks samples containing minerals and structures of different compositions, sizes and directions. This reports presents the processes of manufacturing, mechanical characterization, calibration and evaluation under uniaxial compression tests on rock samples. To verify the efficiency of rock deformation transmitted to attached sensor, it was also performed the analysis of the strain transfer including the effects of the bonding, the sample and the transducer. The experimental results indicate that the developed sensor enables reliable measurements of the strain and its transmission from rock to sensor, appropriate for use in heterogeneous materials, pointing an interesting perspective for applications on irregular surfaces, allowing increasing at will the size and shape of the measurement area. This research suggests suitability of the optical strain gauge for real scale, where traditional electrical systems have demonstrated some limitations.
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A miniaturised gas analyser is described and evaluated based on the use of a substrate-integrated hollow waveguide (iHWG) coupled to a microsized near-infrared spectrophotometer comprising a linear variable filter and an array of InGaAs detectors. This gas sensing system was applied to analyse surrogate samples of natural fuel gas containing methane, ethane, propane and butane, quantified by using multivariate regression models based on partial least square (PLS) algorithms and Savitzky-Golay 1(st) derivative data preprocessing. The external validation of the obtained models reveals root mean square errors of prediction of 0.37, 0.36, 0.67 and 0.37% (v/v), for methane, ethane, propane and butane, respectively. The developed sensing system provides particularly rapid response times upon composition changes of the gaseous sample (approximately 2 s) due the minute volume of the iHWG-based measurement cell. The sensing system developed in this study is fully portable with a hand-held sized analyser footprint, and thus ideally suited for field analysis. Last but not least, the obtained results corroborate the potential of NIR-iHWG analysers for monitoring the quality of natural gas and petrochemical gaseous products.
