Development of an water river level monitoring system

This work proposes a system for monitoring the water level of rivers based on fiber Bragg gratings and the hydrostatic force´s principle. The system consists of a cylindrical buoy, protected by a column, which produces a longitudinal tension in a FBG embedded in a silicone rubber, as result of the buoyancy force exerted by the water. The calibration of the sensor showed that it is possible to tune the maximum water level that the system can measure by increasing the grating depth in the silicone rubber. The increase of the depth also increases the non-linearity in the sensor response, but the results obtained show that it is possible to use linear approximations in different regions of the sensor response. The results of the tests in the water column showed that mechanical vibrations can be distinguished from the increase in water level because they are short duration events. The tests also showed that the system can measure levels up to a limit of approximately 12 meters high from the water level. The crosssensitivity problem can be overcome by the use of a second grating encapsulated in a needle to distinguish the temperature effect from increasing water level. The responses of the gratings can be used to decrease the effect of the temperature on the sensor response used to measure the water level and to identify that there is a temperature variation. In addition, the needle encapsulated grating showed an applied force sensitivity very small, practically nil when compared with the sensitivity of the grating inserted in the silicone. This feature allied to the thermal response of the gratings allows the distinction of temperature effects from the increase of the level of the rivers. The results of this work show the potential of the use of fiber Bragg gratings sensors in the development of river level monitoring systems in flood risk areas.Nesse trabalho é proposto um sistema de monitoramento do nível de água de rios baseado em redes de Bragg (FBG – Fiber Bragg Gratings) e no princípio da força hidrostática. O sistema consiste em uma boia cilíndrica, protegida por uma coluna, que produz uma tensão longitudinal em uma FBG embebida em uma borracha de silicone devido a força de empuxo exercida pela água. A calibração do sensor mostrou que é possível sintonizar o nível máximo de água que o sistema pode medir através aumento da profundidade da rede na borracha de silicone. O aumento da profundidade da rede na borracha também aumenta a não linearidade na resposta do sensor, mas os resultados obtidos mostram que é possível aproximar a resposta da rede a retas em diferentes regiões. Os resultados dos testes na coluna de água mostraram que vibrações mecânicas podem ser distinguidos do aumento do nível da água por serem eventos de curta duração. Os ensaios também mostraram que o sistema pode medir níveis até um limite de aproximadamente 12 metros de altura do nível de água. O problema da sensibilidade cruzada pode ser contornado com o uso de uma segunda rede encapsulada em uma agulha para distinguir o efeito da temperatura do aumento do nível da água. As respostas das duas redes podem ser utilizadas para diminuir o efeito da temperatura na resposta da rede utilizada para medir o nível da água e também para identificar que há uma variação de temperatura. Adicionalmente a rede encapsulada na agulha apresentou uma sensibilidade à força aplicada muito pequena, praticamente nula se comparada com a sensibilidade da rede inserida no silicone. Esta característica aliada a resposta térmica das redes permite facilmente a distinção de efeitos de temperatura do aumento do nível dos rios. Os resultados desse trabalho mostram o potencial do uso de sensores baseados em rede de Bragg no desenvolvimento de sistemas de monitoramento do nível dos rios em áreas de riscos por enchentes