BR102015009979A2

BR102015009979A2 - módulo de sensor sem fio

Info

Publication number: BR102015009979A2
Application number: BR102015009979A
Authority: BR
Inventors: Andrew Campbell; Brian Murray; Mark David Sansom
Original assignee: Skf Ab
Priority date: 2014-05-26
Filing date: 2015-04-30
Publication date: 2015-12-29
Also published as: GB2526543A; EP2952870A1; GB201409307D0; CN105136456A; US20150338326A1; KR20150136003A

Abstract

1/1 resumo "módulo de sensor sem fio a invenção está relacionada a um módulo de sensor voltado para a monitoração de mancais nas aplicações da indústria do aço compreendendo de uma porção embutida (12a) a ser ajustada no interior de uma cavidade (22) em um componente de mancal (10) do mancal a ser monitorado, sendo que a porção embutida (12a) consiste de pelo menos um sensor (34a, 34b, 26, 38). tem-se a proposição da porção embutida (12a) compreendendo ainda de um mecanismo de sujeição (30) gerando a força de sujeição atuando junto à, pelo menos, duas faces internas da lateral oposta da cavidade (22).

Description

"MÓDULO DE SENSOR SEM FIO” CAMPO TÉCNICO

[0001] A invenção está relacionada a um módulo de sensor para uso em mancais de fundidor contínuo e a uma monitoração de condição e/ou sistema de controle de processo para uso na indústria do aço.

FUNDAMENTOS TÉCNICOS

[0002] O ambiente de uma instalação de fabricação de aço é extremamente rigoroso devido às elevadas temperaturas, grandes volumes de água e cargas de alta impactação. Tradicionalmente, tem sido difícil ter-se a monitoração de aspectos do processo relacionados aos mancais, aonde se dá a exposição do equipamento dentro deste ambiente.

[0003] A monitoração de condição dos mancais de fundidor contínuo ou outros tipos de mancais na indústria do aço é desejável devido a danos impostos aos mancais e a imprevisibilidade de falhas. Entretanto, a monitoração de condição é raramente aplicada neste campo de atuação devido as dificuldades de acesso e a cablagem junto ao ambiente operacional adverso. O acesso humano é impossível durante o funcionamento da central, e as temperaturas elevadas e os elevados fluxos térmicos de radiação dificultam a presença da cablagem. Isto decorre a partir da imposição frequente de ter de haver a desmontagem para manutenção da central em cuja etapa a cablagem torna-se propensa a ser danificada.

[0004] Não se tem conhecimento de soluções voltadas para a monitoração de fundidores contínuos. Em outras aplicações, os sensores sem fios na monitoração de condição tem sido empregados sob forma de uma maneira economicamente viável para a monitoração de mancais.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0005] A presente invenção soluciona o problema quanto a provisão de uma disposição de sensor confiável adequada para uso em mancais voltados para aplicações na indústria do aço. Um aspecto adicional da invenção diz respeito a provisão de uma conexão confiável de sensores junto à estrutura para registros quanto ao carregamento, vibração, emissões acústicas e temperaturas junto aos mancais de fundidor contínuo, enquanto que dispondo de componentes eletrônicos em um módulo substituível.

[0006] A invenção se refere a um módulo de sensor voltado para a monitoração de mancais em aplicações na indústria do aço compreendendo de um porção embutida desenvolvida para ser ajustada em uma cavidade em um componente de mancai do mancai a ser monitorado, sendo que a porção embutida compreende pelo menos de um sensor.

[0007] Propõem-se que a porção embutida compreenda ainda de um mecanismo de sujeição gerando uma força de sujeição atuando pelo menos junto as duas faces internas das laterais opostas do orifício. O mecanismo de sujeição proposto pela invenção possibilita a realização de uma transmissão confiável da carga bem como garante um bom acoplamento de sinal e garante que o módulo se faça totalmente seguro. Isto melhora a obtenção do sinal para uma transferência confiável de parte da carga de mancai até ao módulo de sensor.

[0008] O embutimento de pelo menos uma porção do módulo junto ao componente de mancai proporciona com uma quantidade de benefícios incluindo-se uma melhor obtenção do sinal e uma maior proteção sobre o ambiente.

[0009] O componente de mancai pode compreender de um anel de mancai ou de um compartimento de mancai, em particular um compartimento de mancai de um mancai de fundidor contínuo. Existe uma quantidade de processos junto à indústria de fabricação do aço que requerem alguma forma de disposição de mancai para a movimentação ou processamento do aço. Esses processos incluem laminadores, fundidores contínuos, torres e coladas, condutores, etc. Os tipos de mancais empregados em cada uma dessas aplicações variam desde mancais de roletes esféricos, indo a mancais de roletes adelgaçados de 4 carreiras até a grandes mancais de volteadura. A característica em comum de todos esses modelos é que eles funcionam dentro de ambientes hostis envolvendo temperaturas elevadas, grandes volumes de água/solventes presentes e altas cargas incluindo cargas de choque. A invenção encontra aplicação em todas essas aplicações. Uma vez que os sensores e outros componentes eletrônicos são dispostos próximos ao mancai, eles se encontram sujeitos a temperaturas similares aquelas encontradas na operação do mancai. O óleo ou graxa do mancai devem ser preservados aproximadamente abaixo de 100°C, e para tanto os componentes são escolhidos de forma a serem capazes de operarem até em torno da mesma referida temperatura.

[0010] Em uma modalidade preferida da invenção, o mecanismo de sujeição compreende de um anel de sujeição contendo pelo menos uma superfície interna cônica interagindo com pelo menos uma parte interna cônica e mecanismo efetuando pressão junto à parte interna cônica no anel de sujeição para ampliação do anel de sujeição. A ponte em cone formada pelo anel de sujeição e, preferencialmente, duas partes internas cônicas opostas são empregados para fixação bem ajustada do módulo contra as faces internas da cavidade. Preferencialmente, o anel de sujeição e as partes internas cônicas são formadas pelo aço de modo a se chegar a obtenção da robustez desejada.

[0011] A invenção abrange todos os aspectos envolvendo o sensor em uma simples embalagem modular que pode ser facilmente inserida em uma cavidade pré-preparada no compartimento de mancai.

[0012] De acordo com um aspecto adicional da invenção, propõem-se que pelo menos aquele um sensor seja diretamente unido ao anel de sujeição. O excelente contato térmico e mecânico entre o anel de sujeição e as faces da parede interna do componente de mancai irá, portanto, levar a uma imediata confiável e robusta detecção da temperatura e tensão.

[0013] Preferencialmente, o módulo de sensor incorpora pelo menos duas pontes de deformação unidas ao anel de sujeição e conectados de modo a virem a formar uma ponte resistiva. Isto auxilia na provisão das aferições de tensão que se apresentem menos afetadas por desvios em função das alterações ambientais.

[0014] Em uma modalidade preferida da invenção, sensores piezo são instalados no interior do módulo para viabilizarem a obtenção de parâmetros operacionais do mancai principal incluindo a carga, emissão acústica e vibração. Esses sensores são instalados de tal maneira a garantir um bom acoplamento junto ao compartimento de mancai possibilitando a transmissão de sinal de alta qualidade enquanto que ao mesmo tempo sendo robustos contra a temperatura e os choques.

[0015] Em uma modalidade preferida da invenção, o módulo compreende ainda de um transceptor sem fio para o intercâmbio de dados junto ao sistema de processamento eletrônico. Preferencialmente, pelo menos uma antena do transceptor sem fio é disposta na parte externa da cavidade. Preferencialmente, o transceptor sem fio é conectado a um sistema de processamento eletrônico remoto. Este transceptor possibilita a que o módulo venha a estar conectado a uma rede de trabalho, preferencialmente, uma rede de trabalho em conexão utilizando baixa energia fazendo emprego de protocolos de comunicação robustos/resilientes. Graças ao transceptor sem fios, a informação de comandos e configuração pode ser enviada a partir do módulo de volta ao sistema de controle.

[0016] Em uma modalidade preferida da invenção, o módulo compreende ainda de um circuito de captação de energia para a coleta de energia a partir de um ambiente local.

[0017] Preferencialmente, o circuito de captação de energia compreende de um gerador termoelétrico. O mesmo pode incluir, particularmente, a energia coletada a partir de grandes diferenciais de temperatura que possam estar presentes. Além disso, por meio da remoção quanto a necessidade por cablagem, tudo o mais pode ser melhorado, os custos de instalação, os custos quanto a manutenção e robustez do sistema. O acréscimo da coleta de energia térmica pode ser combinada com células primárias de altas temperaturas atuando na forma de uma reserva sobressalente quando o gradiente térmico é muito baixo. Por exemplo, a diferença de temperatura entre o compartimento interno de mancai e o ambiente de fabricação de aço externo pode ser utilizada para a geração de energia através de um gerador termoelétrico. Existem outras opções de geração de energia, tal como o emprego da rotação do eixo excêntrico/mancal ou através de um gerador de turbina de água conectado ao fornecimento de resfriamento do compartimento. A energia pode ser coletada a partir deste sistema quando o gradiente de temperatura é de tamanho suficiente. Isto ocorre quando o aço quente vem a passar através do processo. Isto se dá também na oportunidade quando o dado necessita de vir a ser adquirido.

Quando o aço houver passado, o gradiente de temperatura irá diminuir, sendo necessária, no entanto, a obtenção dos dados. O módulo pode ainda compreender de uma armazenagem de dados para a armazenagem de dados até que eles possam ser lidos ou transmitidos.

[0018] Propõem-se ainda que o módulo seja provido contendo um grande capacitor que tenha condições de armazenar energia suficiente para acionar o sistema por um curto período de tempo. O mesmo pode ser usado como parte da estratégia de gerenciamento de energia para energia de “compensação” de modo que exista um reservatório disponível para os momentos quando a coleta não venha a estar fornecendo com entrada suficiente de energia para acionar inteiramente o sistema.

[0019] De acordo com um aspecto adicional da invenção, um gerenciamento da energia do sistema é acoplado com o circuito de colete para garantir que a energia se apresente disponível quando ela se faz necessária, por exemplo, quando o aço está sendo processado.

[0020] O acondicionamento proposto não somente fornece condições de monitoramento a ser empregado de modo conveniente, como também possibilita a aferição da carga, vibração, emissão acústica e temperatura para uso através de sistemas avançados de monitoração da condição.

[0021] Esta invenção descreve um módulo de sensor embutido, sem fios de fácil instalação, sendo robusto diante do ambiente, e podendo gerar a sua própria energia e proporcionar com aferições da vibração, emissão acústica, carga e temperatura a partir do mancal/compartimento. O objetivo primário deste dispositivo compreende da monitoração da condição, entretanto, este mesmo dispositivo pode ser adaptado para oferecer informação utilizada pelo sistema de controle de processo para a otimização da qualidade da produção do aço.

[0022] A descrição acima da invenção bem como do quadro de reivindicações, figuras em apenso e a descrição a seguir de uma modalidade preferida apresentem múltiplos fatores caracterizantes da invenção em combinações específicas. O indivíduo especializado pode facilmente encontrar condições de considerar combinações ou sub-combinações adicionais dessas características de modo a invenção vir a ser adaptada conforme definida pelas reivindicações para as necessidades específicas do indivíduo.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0023] A Fig. 1 consiste de um compartimento de mancai de um mancai de fundidor contínuo equipado com um módulo de sensor de acordo com a invenção revestido por uma placa metálica;

[0024] a Fig. 2 consiste de compartimento de mancai da Fig. 1 tendo a placa metálica removida;

[0025] a Fig. 3 apresenta uma poção embutida do módulo de sensor de acordo com a invenção contendo o compartimento de plástico;

[0026] a Fig. 4 mostra o módulo de sensor de acordo com a Fig. 3 tendo o compartimento de plástico removido; e [0027] a Fig. 5 consiste de uma vista da seção do módulo de sensor e o compartimento de mancai apresentando um mecanismo de sujeição.

[0028] **Descrição Detalhada da Invenção** [0029] A Fig. 1 compreende de um compartimento de mancai 10 de um mancai de fundidor contínuo equipado com um módulo de sensor 12, de acordo com a invenção, revestido por uma placa metálica 14. Um orifício do compartimento 10 vem a ser configurado para a admissão de um anel externo de um mancai de fundidor contínuo a ser monitorado pela unidade de monitoração de acordo com a invenção (não ilustrado).

[0030] O módulo de sensor 12 compreende de uma porção embutida 12a que vem a ser embutida junto ao volume de material de aço do compartimento de mancai 10 e uma porção externa 12b incluindo uma antena 18 de um transceptor sem fio 19 e um circuito de coleta de energia 20 formado como um gerador termoelétrico para a coleta de energia a partir de um ambiente local.

[0031] A Fig. 2 consiste de uma vista detalhada do compartimento de mancai 10 da Fig. 1 tendo a placa metálica 14 removida. Uma ranhura 21 na superfície superior do compartimento de mancai 10 conecta uma cavidade 22 admitindo a porção embutida cilíndrica 12a e a porção externa 12b conduzindo os cabos 24 fazendo a conexão das porções 12a, 12b, sendo que os cabos 24 são protegidos por um ovém a prova de calor.

[0032] A Fig.3 apresenta uma porção embutida essencialmente cilíndrica 12a do módulo de sensor 12, de acordo com a invenção, voltada de baixo para cima. Uma parte superior da porção embutida é revestida com um compartimento plástico 26, sendo que a parte em sentido axial inferior a ser posicionada próxima a uma base da cavidade de orifício circular 22 admitindo a porção embutida 12a consiste da superfície externa radial de um anel de sujeição de aço 28, sendo que o anel de sujeição 28 é provido contendo uma folga 28a possibilitando a uma expansão elástica do anel de sujeição 28.

[0033] O material do compartimento plástico 26 é escolhido de modo a suportar tanto as temperaturas elevadas como os líquidos incluindo a água e solventes. Necessitando também ser capacitado a suportar a transmissão de choques e vibrações ao longo do compartimento de mancai 10. Preferencialmente, pode ser utilizado um plástico de elevado desempenho, tal como o PPS GF 40.

[0034] O anel de sujeição 28 compreende parte de um mecanismo de sujeição 30 gerando uma força de sujeição atuando junto às superfícies laterais internas cilíndricas da cavidade 22, a serem descritas em maiores detalhes adiante. A expansão radial do anel de sujeição 28 advindo de um apertamento do mecanismo de sujeição 30 conduz a uma fixação de ajuste da força robusta e confiável da porção embutida 12a do módulo de sensor 12 na cavidade 22. A cavidade 22 é formada como uma cavidade de passagem de modo a tornar uma cavilha 32 acessível para o apertamento do mecanismo de sujeição 30.

[0035] A instalação do módulo 12 por meio do emprego de uma cavidade pré-usinada 22 dá condições a um método de instrumentalização barato e simples de um fundidor de aço ou de um compartimento de laminador 10/mancal. O mesmo possibilita ainda por uma fácil reposição no campo durante a manutenção do laminador/fundidor. Por meio da introdução do módulo 12 junto ao compartimento de mancai 10 tem-se tanto a proteção tanto quanto as piores condições de fabricação local quanto também o posicionamento próximo da fonte de sinais de interesse.

[0036] A Fig. 4 apresenta o módulo de sensor de acordo com a Fig. 3 tendo o compartimento de plástico 26 removido. A porção embutida 12a compreende de múltiplos sensores incluindo sensores de tensão 34a, 34b, descritos em maiores detalhes adiante, um sensor de temperatura 36 e/ou sensores de vibração ou sensores de emissão acústica 38.

[0037] Além disso, tem-se um painel de circuito impresso 40 com os componentes e um subsistema eletrônico no interior do módulo 12 proporcionando com a capacidade de aquisição de sinal. Os sinais analógicos a partir dos sensores piezo 34a, 34b são processados em ambos domínios analógico e digital para proporcionar com valores que podem ser utilizados para trocas, alarmes, etc. O processamento do sinal pode ser ainda dividido entre o módulo e um sistema computacional em uma ponta mais elevada no processo de transmissão de dados. As partes sensitivas do transceptor sem fio 19 para o intercâmbio de dados incorporando um sistema de processamento eletrônico são também proporcionadas junto ao painel de circuito impresso 40.

[0038] Além disso, um super capacitor 42 é disposto no compartimento de plástico 26 da porção embutida do módulo de sensor 12. O processamento do sinal implementado no circuito de painel impresso 40 inclui um gerenciamento de energia do sistema que é acoplado ao circuito de coleta 20 para assegurar que a energia se apresente disponível quando necessária, por exemplo, quando está havendo o processamento do aço.

[0039] O sensor de temperatura 36 é incluído para proporcionar com aferição da condição de mancai crítica para uma vida de lubrificação.

[0040] Os sensores de tensão 34a, 34b são formados como pontes de deformação piezoelétricas que são unidas diretamente ao anel de sujeição 29 e conectados de modo a formarem uma ponte resistiva.

[0041] A Fig. 5 consiste de uma vista da seção do módulo de sensor 12 e o compartimento de mancai 10 apresenta o mecanismo de sujeição 30. O mecanismo de sujeição 30 compreende do anel de sujeição 28 contendo duas superfícies internas abertas em direções opostas e interagindo com duas partes internas cônicas formadas como um cone 44a contendo uma rosca interna e um cone 44b contendo uma cavidade de passagem. A cavilha 32 se engata com a rosca interna do cone 44a e é provida com um mecanismo para pressionar em sentido axial os cones 44a, 44b em conjunto com o anel de sujeição 28 para ampliação radial do anel de sujeição 28.

[0042] A configuração genérica do módulo de sensor 12, de acordo com a invenção, possibilita a formação de um produto robusto que pode obter dados de alta qualidade no funcionamento do mancai. No emprego de tecnologia de entrelaçamento sem fio de baixa energia voltada para o transceptor sem fios 19 não existe a necessidade por cabos de modo a haver redução de custos de instalação e o aperfeiçoamento da confiabilidade do sistema. A tecnologia de baixa potência possibilita ainda que o sistema seja capaz de funcionar a partir da energia coletada do ambiente local. Na modalidade preferida da invenção, faz-se emprego da tecnologia HART sem fios. Esta consiste de uma rede de trabalho entrelaçada industrial de baixa potência com base no padrão IEEE 802.15.4 que se apresenta como bastante robusta no que tange ambientes industriais.

REIVINDICAÇÕES

Claims

1. Módulo de sensor para a monitoração de mancais em aplicações na indústria do aço compreendendo de uma porção embutida (12a) a ser ajustada dentro de uma cavidade (22) em um componente de mancai (10) do mancai a ser monitorado, sendo que a porção embutida (12a) compreende pelo menos um sensor (34a, 34b, 36, 38), caracterizado pelo fato da porção embutida (12a) compreender ainda um mecanismo de sujeição (30) gerando uma força de sujeição atuando em pelo menos duas faces internas laterais opostas da cavidade (22).

2. Módulo de sensor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do mecanismo de sujeição (30) compreender um anel de sujeição (28) contendo pelo menos uma superfície interna cônica interagindo com pelo menos uma parte interna cônica (44a, 44b) e mecanismo (32) para pressionar a parte interna cônica (44a, 44b) junto ao anel de sujeição (28) para ampliação do anel de sujeição (28).

3. Módulo de sensor, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que pelo menos um sensor (34a, 3b, 36, 38) é unido ao anel de sujeição (28).

4. Módulo de sensor, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de compreender pelo menos duas pontes de tensão (34a, 34b) unidas ao anel de sujeição (28) e conectadas para formarem uma ponte resistiva.

5. Módulo de sensor, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de compreender pelo menos um sensor de temperatura (36).

6. Módulo de sensor, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de compreender ainda um transceptor sem fio (19) para o intercâmbio de dados com um sistema de processamento eletrônico.

7. Módulo de sensor, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma antena (18) do transceptor sem fio (19) é disposta fora da cavidade (22).

8. Módulo de sensor, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de compreender ainda um circuito de coleta de energia (20) para a coleta de energia a partir de um ambiente local.

9. Módulo de sensor, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato do circuito de coleta de energia (20) compreender um gerador termoelétrico.