BR102019028020A2 - sistema e processo para estimativa de velocidade e de atraso de propagação de ruído de vazamento em ao menos um duto - Google Patents

Abstract

A presente invenção descreve um sistema e processo para estimativa de velocidade de propagação de ruído de vazamento em ao menos um duto e estimativa do tempo de atraso de sinais de ruído de vazamento. Especificamente, a presente invenção propõe um sistema que compreende dois ou mais transdutores posicionados no duto, em que ao menos um desses transdutores é capaz de operar como um sensor atuador. o transdutor no modo sensor atuador é capaz de reproduzir um sinal no duto, onde este sinal é detectado por um sensor e enviado a uma unidade de processamento, que assim realiza a correlação cruzada entre o sinal reproduzido e o sinal detectado para estimar a velocidade de propagação do ruído de vazamento. A presente invenção se situa nos campos da engenharia elétrica, mecânica, saneamento básico, detecção de vazamentos, distribuição de água e manutenção de tubulações.

Description

SISTEMA E PROCESSO PARA ESTIMATIVA DE VELOCIDADE E DE ATRASO DE PROPAGAÇÃO DE RUÍDO DE VAZAMENTO EM AO MENOS UM DUTO Campo da Invenção

[0001] A presente invenção apresenta uma solução para estimativa da velocidade de propagação de ruído de vazamento em ao menos um duto em tempo real, se situando mais especificamente nos campos da engenharia elétrica/mecânica, saneamento básico, detecção de vazamentos, distribuição de água e manutenção de tubulações.

Antecedentes da Invenção

[0002] Para atender as demandas de saneamento básico, uma distribuição de água adequada é necessária. um dos problemas encontrados na distribuição de água é o vazamento de água em encanamentos e tubulações. uma das soluções propostas é o correlacionador de ruídos, em que é calculado o atraso de sinal do ruído de vazamento adquirido por dois sensores conectados a um tubo juntamente com a velocidade de propagação com a qual o ruído se propaga ao longo do tubo para localizar o vazamento. o cálculo é realizado a partir da equação:

[0003] onde d1 é a distância do vazamento até o sensor 1, c é a velocidade de propagação, T0 é o atraso de tempo e d é distância total entre os sensores. Entretanto, a velocidade de propagação normalmente é estimada de tabelas ou fórmulas analíticas que podem levar a erros devido à diferença da mesma em casos reais.

[0004] Os autores O. Hunaidi e W.T. Chu de “Acoustical characteristics of leak signals in plastic water distribution pipes” encontraram que a estimativa da velocidade de propagação em dutos plásticos enterrados, por exemplo, pode variar em aproximadamente 7% devido a mudanças na temperatura causadas por condições climáticas em diferentes estações (como, por exemplo, de 484m/s no verão para 515 m/s no inverno para um duto de PVC). Com isso, é notório que com essa variação o trabalho é imensamente prejudicado, visto que são grandes as chances de erro durante análises, devido à baixa precisão, podendo ocasionar em obras/manutenções desnecessárias ou erroneamente planejadas.

[0005] Além disso, por sua falta de fabricantes nacionais, é necessária a importação de fabricantes internacionais (correlacionadores), onde sua posse e manutenção possuem um preço elevado.

[0006] Na busca pelo estado da técnica em literaturas científica e patentária, foram encontrados os seguintes documentos que tratam sobre o tema:

[0007] Na tese de doutorado “Improved Acoustic Methods for Leak Detection in Buried Plastic Water Distribution Pipes”, Almeida revela uma investigação experimental e teórica para melhoramento dos métodos acústicos usados para detectar vazamentos em tubos de plástico enterrados de distribuição de água, onde para simular os ruídos de vazamento, são utilizados shakers (atuadores) para gerar vibrações no tubo e então realizar a medição da vibração ao longo do tubo por meio de hidrofones, acelerômetros e geofones. A presente tese, contudo, apresenta duas etapas: uma etapa é o hardware que no caso seria o atuador e o sensor e a outra etapa é o software, ou seja, o processamento de sinal que é utilizado para efetuar a estimativa do atraso para a localização do vazamento em dutos enterrados, onde o atuador utilizado é um atuador comercial de custo elevado, como já mencionado, para gerar um sinal de vibração externo à estrutura (tubo enterrado) em um local conhecido. Isso foi feito para mostrar que o conceito de excitação externa à estrutura (tubo) funciona mesmo na presença de um vazamento na tubulação. Dois sensores (um do lado do atuador e outro colado a em uma outra posição de medição conhecida) também foram utilizados em conjunto para medir esse sinal de vibração em dois pontos distintos ao longo da tubulação. O tipo de excitação utilizada foi randômica e do tipo "Chirp” sem nenhum intervalo de tempo que permitisse que o atuador ficasse em repouso (fora de funcionamento). Dessa maneira, utiliza-se um atuador e sensores para a técnica descrita na presente tese. Além do mais, esta construção e, portanto, limitações da tese implicaram que a técnica de envelope fosse utilizada para o processamento dos sinais e estimativa da velocidade de propagação, o que se distingue dos padrões atuais.

[0008] O documento EP1007931 revela um método melhorado para detecção de vazamento em tubulações, em que para a calibração precisa da medida de tempo levado do som para atravessar entre os sensores da tubulação ser feita são utilizadas estações base que mandam uma mensagem de controle para um processador remoto para alternar seu modo operacional, onde esse dito processador remoto começa, então, a gerar uma função de sinal aleatória (token signal) usando seu microprocessador, onde essa função de sinal aleatória é simultaneamente transmitida para a estação base e aplicada à tubulação, sendo que isso é feito pela conversão do sinal digital da função de sinal aleatória para tensão elétrica, convertendo a tensão elétrica em vibração mecânica e aplicando a vibração mecânica para a tubulação. Geralmente, sinais randômicos necessitam de uma maior amplitude de excitação, ou seja, uma maior energia fornecida aos atuadores ou até mesmo ao sensor. Além disso, é mencionado no EP1007931 que todas as frequências são excitadas, mas na verdade, excita-se uma banda de frequência devido à limitação dos atuadores. Essa banda de frequência ainda é reduzida quando esse sinal gerado pelo atuador se propaga ao longo da tubulação (os tubos, principalmente de plástico, atenuam rapidamente o sinal de vibração gerado, resultando em um sinal com uma banda de frequência bem menor). Além do mais, o EP1007931 menciona o impacto na estrutura como um problema, o que de certa forma é controverso, e por isso foi proposta a solução do sinal randômico. Entretanto, o sinal randômico apresenta resultados bem inferiores em relação aos resultados apresentados quando utilizado uma excitação "Chirp”, por exemplo.

[0009] O documento US10209225 revela um sistema e método para avaliação das condições de um tubo para transporte de fluidos, no qual consiste na verificação da velocidade de propagação de uma onda acústica. Porém, o presente documento US10209225 não menciona a medição deste parâmetro por meio de uma resposta a um sinal conhecido e não propõe uma solução para o problema de variáveis de terreno diferentes do país de origem.

[0010] O documento BR112012015646-2 revela um aparato de medição que mede propriedades de fluxo de fluído em um conduto incluindo em uma parede, onde esse aparato inclui um arranjo de sensores ultrassônicos em que ao menos dois sensores alternativamente emitem e recebem radiação ultrassônica através da parede onde o conduto é localizado e o fluxo de fluido que passa pelo conduto, além de incluir um arranjo de processamento de sinal de geração de sinais para excitar o arranjo de sensores e para processamento de sinais recebidos que foram providos por esse dito arranjo de sensores para indicativo de propriedades do fluxo, como velocidade do fluxo do fluido no conduto ou a velocidade do som através do fluido. Porém, o presente documento BR112012015646-2 utiliza-se de um transdutor ultrassônico que, além de possuir um custo elevado, necessita do consumo de uma bateria para seu funcionamento.

[0011] Assim, do que se depreende da literatura pesquisada, não foram encontrados documentos antecipando ou sugerindo os ensinamentos da presente invenção, de forma que a solução aqui proposta possui novidade e atividade inventiva frente ao estado da técnica.

[0012] Sendo assim, é possível observar que o estado da técnica carece de uma solução que estime a velocidade de propagação em tempo real, com custos reduzidos e além de considerar as variáveis dos terrenos para a aferição adequada do vazamento.

Sumário da Invenção

[0013] Dessa forma, a presente invenção resolve os problemas do estado da técnica a partir de uma solução que estima a velocidade de propagação de ruído de vazamento em ao menos um duto e o atraso de sinais ao utilizar ao menos um transdutor operando como sensor-atuador, em que um meio de geração de sinais envia a ao menos um sensor atuador um sinal conhecido, o qual é reproduzido no duto pelo próprio transdutor sensor-atuador, de tal modo que os demais transdutores (operando como sensor-atuador ou, simplesmente, em modo sensor) posicionados no duto possam captar o sinal reproduzido. Com isso, os sinais reproduzidos pelo sensor atuador e os detectados pelos transdutores no duto são enviados à unidade de processamento, que, por meio de uma ferramenta de correlação, realiza a correlação dos dois sinais e então estima a velocidade de propagação com base na correlação calculada, estimando, dessa forma, a velocidade com que o ruído se propaga no duto para cada cenário.

[0014] Com isso, a solução proposta na presente invenção possibilita obter um cálculo/estimativa da velocidade de propagação do ruído de vazamento sem a necessidade de tabelas/parâmetros pré-definidos e já considerando as interferências físicas na velocidade do sinal, tais como climática, propriedades do solo, material do duto, etc., possibilitando, assim, redução de custos de aferidores de vazamento além de maior precisão do local de vazamento situado no duto. Outra característica é que o atuador também opera como um sensor, ou seja, de modo a possibilitar o cálculo do atraso de sinal do vazamento presente. Assim, a solução da presente invenção, em uma concretização, possibilita utilizar o transdutor sensor atuador para o cálculo da velocidade de propagação de ruído de vazamento e, em conjunto, o atraso de sinais a partir de um único transdutor, melhorando a portabilidade do sistema em comparação com as técnicas atualmente conhecidas.

[0015] Em um primeiro objeto, a presente invenção apresenta um sistema para estimativa de velocidade de propagação de ruído de vazamento em ao menos um duto compreendendo: dois ou mais transdutores (sensor-atuador) dispostos ao longo de um duto, em que ao menos um transdutor funciona como um atuador, em que o transdutor no modo atuador compreende elemento atuante orientado por meio de sinal; meio de leitura de corrente associado a ao menos um transdutor; unidade de processamento compreendendo uma ferramenta de correlação que compreende estimador de velocidade de propagação de ruído de vazamento a partir da correlação; e meio de geração de sinais conectado a ao menos um transdutor no modo atuador e compreendendo meio de ajuste do sinal a ser enviado ao referido transdutor no modo atuador.

[0016] Em um segundo objeto, a presente invenção apresenta um processo para estimativa de velocidade de propagação de ruído de vazamento em ao menos um duto, em que o duto compreende dois ou mais transdutores (sensor-atuador) posicionados a uma distância conhecida, onde ao menos um dos transdutores opera no modo atuador, sendo o processo compreendendo as etapas de: inserção de um sinal conhecido por ao menos um meio de geração de sinais em um transdutor no modo atuador; cálculo de correlação por meio de uma unidade de processamento compreendendo uma ferramenta de correlação, em que a correlação é calculada a partir de um sinal reproduzido pelo transdutor modo atuador, gerado pelo sinal conhecido inserido, e de um sinal recebido por ao menos um transdutor no modo sensor; e estimativa de velocidade de propagação de ruído pela unidade de processamento a partir da correlação calculada.

[0017] Estes e outros objetos da invenção serão imediatamente valorizados pelos versados na arte e serão descritos detalhadamente a seguir.

Breve Descrição das Figuras

[0018] São apresentadas as seguintes figuras:

[0019] A figura 1 mostra uma concretização do sistema para estimativa do atraso de sinais clássico por correlacionadores, em que são ilustrados dois transdutores (10) conectados ao longo de um duto (11), suas respectivas distâncias do vazamento e seus sinais emitidos.

[0020] A figura 2 mostra uma concretização do arranjo do sistema para estimativa da velocidade de propagação e atraso de sinais de ruídos de vazamento em um duto. Onde na figura 2.a são ilustrados dois transdutores, sendo um operando em modo sensor-atuador (10.1) e o outro operando em modo sensor (10.2), ambos separados a uma distância d. Já na figura 2.b, os modos de operação dos transdutores estão invertidos, em comparação com a o ilustrado pela figura 2.a.

[0021] A figura 3 mostra uma concretização possível para o meio de geração de sinais (16), que é feito no computador via programação e placa de áudio. Um gerador de sinais comercial ou sistema similar pode ser utilizado.

[0022] A figura 4 mostra uma exemplificação do funcionamento de uma concretização do transdutor para operação em modo sensor-atuador (10.1), onde é possível ver um elemento (13) móvel com suas propriedades magnéticas, uma rigidez (18) e as bobinas (19).

[0023] A figura 5 mostra uma exemplificação do funcionamento da dita concretização do transdutor sensor-atuador (10.1) da figura 4, onde é possível observar que o elemento (13) móvel reproduz o sinal recebido por meio de um impacto.

[0024] A figura 6 mostra uma concretização do meio resistivo (12) conectado ao sensor atuador (10.1).

[0025] A figura 7 mostra uma concretização para a unidade de processamento (14), onde é possível observar o sistema de aquisição (15) e o display de visualização (21).

[0026] A figura 8 mostra uma concretização do transdutor sensor-atuador (10.1) em um teste de caracterização, indicando uma célula de carga (23) e um sensor de vibração (22), onde a célula de carga (23) e o sensor de vibração (22) são conectados ao sensor atuador (10.1).

[0027] A figura 9 mostra uma concretização do diagrama de funcionamento de um protótipo do processo para estimativa de velocidade de propagação de ruído de vazamento em ao menos um duto (11), desde seu envio de sinal até a aquisição de dados.

[0028] A figura 10 mostra uma exemplificação de uma correlação do sinal reproduzido pelo transdutor sensor-atuador (10.1) e do sinal (20) enviado pelo transdutor modo sensor (10.2) ou por um transdutor (10) utilizado no lugar do transdutor modo sensor (10.2).

[0029] A figura 11 mostra uma exemplificação de uma construção simulada para a realização dos testes de estimativa da velocidade de propagação do ruído de vazamento.

Descrição Detalhada da Invenção

[0030] As descrições que se seguem são apresentadas a título de exemplo e não limitativas ao escopo da invenção e farão compreender de forma mais clara o objeto do presente pedido de patente.

[0031] Um dos principais problemas da distribuição de água mundialmente e no Brasil é o desperdício de água por conta de vazamento nos tubos de distribuição de água. Uma das soluções propostas é a utilização de correlacionadores de ruídos para localização dos ruídos de vazamento e assim localizar a posição do vazamento. Porém, além de ser necessária a importação desses correlacionadores por conta da falta de fabricantes nacionais, esses ditos correlacionadores não levam em consideração a alteração de variáveis territoriais como, por exemplo, tipo do solo, temperatura e umidade e utilizam tabelas com valores fixos para localizar o vazamento.

[0032] Para os versados na arte, em se considerar o âmbito no entendimento da presente invenção, sem limitar ao escopo reivindicado, transdutor (10) pode ser compreendido por operar em modo de sensor-atuador (10.1) ou em modo sensor (10.2), como mostrado na figura 2.a ou vice-versa como mostrado na figura 2.b, os quais serão devidamente ressaltados e esclarecidos ao longo do texto.

[0033] Em um primeiro objeto, a presente invenção apresenta um sistema para estimativa de velocidade de propagação de ruído de vazamento e atraso de sinais em ao menos um duto (11) compreendendo: dois ou mais transdutores (10) dispostos ao longo de um duto (11), em que ao menos um transdutor (10) opera como um transdutor no modo sensor-atuador (10.1), em que o sensor-atuador (10.1) compreende elemento (13) atuante orientado por meio de sinal; meio de leitura de corrente associado a ao menos um transdutor (10); unidade de processamento (14) compreendendo uma ferramenta de correlação (15) que compreende estimador de velocidade de propagação de ruído a partir da correlação; e meio de geração de sinais (16) conectado a ao menos um transdutor no modo atuador (10.1) e compreendendo meio de ajuste do sinal a ser enviado ao referido sensor atuador (10.1). Em outra concretização, pode ser a utilização de um transdutor sensor-atuador (10.1) e outros transdutores (10) conectados ao tubo (11) que não sejam do tipo transdutor sensor-atuador (10.1), como sensores comerciais, por exemplo.

[0034] A partir disto, transdutores (10) posicionados no duto (11) apresentam uma distância conhecida, como ilustrado na figura 1. Em uma concretização, são posicionados dois transdutores (10) ao longo do duto (11), sendo ambos os transdutores capazes de operar no modo sensor-atuador (10.1) e no modo sensor (10.2). Nesta concretização, ambos os transdutores (10) podem operar alternativamente, ou seja, um como atuador e o outro como sensor e vice-versa. Dessa maneira é possível obter duas estimativas da velocidade de propagação do ruído, sendo primeiramente um transdutor operando como atuador (10.1) e o outro transdutor operando como sensor (10.2) , para estimativa de velocidade 1, conforme ilustrado pela figura 2.a, e, em sequência, tendo a inversão das funcionalidades, conforme mostrado na figura 2.b, para a estimativa de velocidade 2.

[0035] Em outra concretização possível, são posicionados dois transdutores (10) de modo que apenas um deles possui a capacidade de operar nos modos atuador (10.1) e sensor (10.2), enquanto que o outro transdutor (10) opera convencionalmente apenas como modo sensor (10.2). Essa concretização torna-se viável uma vez que não há a necessidade de se substituir todos os sensores já existentes em um sistema de medição, sendo necessário possuir apenas um único transdutor com a função sensor atuador (10.1).

[0036] Os referidos transdutores atuadores (10) são conectados à unidade de processamento (14), de modo que a referida unidade (14) é capaz de ler o sinal reproduzido pelo transdutor no modo sensor atuador (10.1) e o sinal (20) detectado pelos transdutores no modo sensor (10.2). Em uma concretização, a unidade de processamento (14) é um compartimento compreendendo a ferramenta de correlação (15) e um display de visualização (21) como ilustrado na figura 7. Em outra concretização, a unidade de processamento (14) é um processador com ferramentas integradas e/ou implementadas em seu conteúdo de ações previamente programado. Para fins de exemplificação, a unidade de processamento (14) é um processador provido com uma rotina de programa capaz de executar a função de correlação entre o sinal resultante da reprodução do sinal conhecido enviado ao transdutor no modo atuador (10.1) e o sinal (20) detectado pelos transdutores no modo sensor (10.2) e executar a estimativa de velocidade de propagação com base na função de correlação calculada ou qualquer outra técnica de estimativa de atraso de sinais.

[0037] Na presente invenção, ao menos um dos transdutores (10) compreende estrutura (17) com um elemento (13) móvel associado a uma rigidez (18) e uma bobina (19) disposta na estrutura (17), como ilustra a figura 4. Com isso, o transdutor (10) é capaz de operar no modo atuador (10.1) e no modo sensor (10.2). Dessa forma, ao receber um sinal conhecido, o transdutor no modo atuador (10.1) reproduz um impacto (I) por conta da corrente passando pela bobina (19) do transdutor no modo atuador (10.1) como ilustrado na figura 5. Em uma concretização, o transdutor no modo atuador (10.1) é um geofone.

[0038] O meio de geração de sinais, para fins da presente invenção, é qualquer componente capaz de gerar um sinal elétrico, mecânico, ultrassônico, entre outros, a partir de uma função matemática (discreta ou contínua) previamente programada, podendo, assim, fornecer, por exemplo, uma forma de onda parametrizada de acordo com a necessidade da aplicação. Em uma concretização, meio de geração de sinais (16) é um gerador de funções físico como ilustrado na figura 3 ou um computador com sistema de geração de sinais que usa a saída da placa de áudio. Em outra concretização, o meio de geração de sinais (16) é um módulo de programa implementado na unidade de processamento (14), de modo a possui funções já programadas para a parametrização do sinal a ser enviado ao transdutor no modo atuador (10.1).

[0039] O meio de leitura de corrente compreende um meio resistivo (12) de leitura de corrente conectado na entrada do transdutor operando no modo sensor atuador (10.1) e um medidor de corrente associado ao dito meio resistivo (12). Para fins da presente invenção, o meio de leitura de corrente é qualquer elemento capaz de medir, por meio de seus componentes, a corrente elétrica resultante no transdutor sensor atuador (10.1). Ademais, para fins da presente invenção, meio resistivo (12) é qualquer elemento que possua pelo menos uma componente resistiva. Em uma concretização, meio resistivo (12) é um resistor. Em outra concretização, o meio resistivo (12) é conectado ao transdutor sensor atuador (10.1) como ilustrado na figura 6.

[0040] Para fins da presente invenção, o medidor de corrente é qualquer elemento físico ou integrado em software capaz de ler a corrente que circula pelo meio resistivo, de tal forma que não é necessário um meio físico para este feito. Em uma concretização, o meio de leitura de corrente compreende um resistor conectado no transdutor sensor atuador (10.1) e um medidor de corrente associado ao referido resistor, de tal modo que a corrente que circula pelo resistor é passível de ser lida pelo medidor. Em outra concretização, o meio de leitura de corrente é uma ferramenta de software da unidade de processamento (14). Em outra concretização, o meio de leitura de corrente é um circuito interno do transdutor para operação no modo sensor atuador (10.1).

[0041] O estimador de velocidade de propagação de ruído opera a partir da correlação entre o sinal (20) provindo da corrente medida no transdutor quando operado no modo atuador (10.1) e de ao menos um transdutor no modo sensor (10.2).

[0042] O sinal medido do transdutor modo atuador (10.1) é um sinal de corrente elétrica que é fornecido pelo meio de leitura de corrente. Em uma concretização, o sinal de corrente elétrica é enviado à unidade de processamento (14).

[0043] Com base nisso, a unidade de processamento (14) realiza a correlação do sinal da corrente elétrica do transdutor modo sensor atuador (10.1) com o sinal (20) medido pelo transdutor modo sensor (10.2), e o valor do pico dessa correlação é utilizado para a estimativa da velocidade de propagação do ruído. Em uma concretização, o sinal resultante da reprodução da corrente do transdutor no modo sensor atuador (10.1) é um sinal de corrente elétrica. Em uma concretização, complementar a anterior, o sinal (20) medido pelo transdutor no modo sensor (10.2) é um sinal de tensão elétrica, de tal modo que a unidade de processamento realiza a correlação entre a corrente elétrica lida no transdutor modo atuador (10.1) e a tensão elétrica lida no transdutor modo sensor (10.2).

[0044] Em um segundo objeto, a presente invenção apresenta um processo para estimativa de velocidade de propagação de ruído de vazamento em ao menos um duto (11), em que o duto (11) com pelo menos dois ou mais transdutores (10) posicionados a uma distância conhecida e por ao menos um dos transdutores (10) operar como um transdutor sensor atuador (10.1), onde o processo compreende as etapas de: inserção de um sinal conhecido por ao menos um meio de geração de sinais (16) em um transdutor funcionando no modo sensor atuador (10.1); cálculo de correlação por meio de uma unidade de processamento (14) compreendendo uma ferramenta de correlação (15), em que a correlação é calculada a partir da corrente medida no transdutor modo atuador (10.1) e de um sinal recebido por ao menos um transdutor no modo sensor (10.2); e estimativa de velocidade de propagação de ruído pela unidade de processamento (14) a partir da correlação calculada.

[0045] O gerador de sinais (16) é responsável por enviar um sinal conhecido no transdutor modo sensor atuador (10.1), possibilitando que o sinal a ser inserido seja ajustável, de modo a não danificar o transdutor sensor atuador (10.1). O sinal enviado pelo gerador de sinais (16) é qualquer sinal capaz de ser gerado a partir de uma função matemática e, deste modo, capaz de ser parametrizado de acordo com a necessidade de aplicação. Com isso, é possível obter um sinal conhecido, ou seja, que descreve uma resposta esperada, possibilitando e facilitando eventuais ações de processamento matemático acerca deste sinal. Ademais, em uma concretização, o sinal gerado pelo gerador sinais (16) é um sinal elétrico capaz de ser enviado por meio de condutores. Em uma concretização, o sinal gerado pelo gerador de sinais (16) é enviado ao transdutor em modo sensor atuador (10.1) por meio de tecnologias sem fio, tais como Wi-Fi, Bluetooth, rede celular, entre outros, mas também pode ser utilizado cabos.

[0046] Em uma concretização, o sinal enviado é um sinal periódico com uma banda de frequência contendo ao menos uma componente em frequência coincidente com a frequência natural do transdutor sensor atuador (10.1), onde esta frequência natural é previamente conhecida. Em uma concretização, o sinal enviado é um sinal periódico de uma função trigonométrica (seno ou cosseno) com uma frequência fundamental de 10Hz. Em outra concretização, o sinal injetado é um sinal Chirp que varia entre 10Hz a 1000Hz em 0,1 segundo, e 0,9 segundos em repouso, repetindo-se por um período selecionado pelo usuário (tempo de aquisição de sinais).

[0047] Após a inserção do sinal conhecido, o elemento (13) atuante móvel do transdutor sensor-atuador (10.1) descreve uma trajetória que seja relativa ao sinal que foi inserido. Para fins de exemplificação, no caso da inserção de um sinal do tipo impulso, o elemento (13) atuante realiza uma atuação de um único impulso agindo sobre o duto. Em uma concretização, ao enviar o sinal conhecido para o transdutor no modo atuador (10.1), começa a circular corrente elétrica na bobina do transdutor no modo atuador (10.1), deslocando o elemento (13) móvel e fazendo com que o dito elemento (13) móvel cause um impacto (I) na estrutura do transdutor modo atuador (10.1), gerando, assim, vibrações ao longo do duto (11) de acordo com o sinal reproduzido.

[0048] O sinal resultante dessa reprodução é então enviado à unidade de processamento (14). Ao propagar ao longo do duto (11), as ondas vibracionais são medidas pelo transdutor modo sensor (10.2) e sua medição é enviada à unidade de processamento (14).

[0049] Com o sinal resultante da medida da corrente do transdutor modo atuador (10.1) e com o sinal medido pelo transdutor modo sensor (10.2), a ferramenta de correlação (15) da unidade de processamento (14) realiza o cálculo do atraso entre os sinais. Em uma concretização, o sinal resultante da reprodução do sinal do transdutor modo atuador (10.1) é um sinal de corrente elétrica. Em uma concretização, complementar à anterior, o sinal medido pelo transdutor modo sensor (10.2) é um sinal de tensão elétrica, de tal modo que a unidade de processamento (14) realize, por meio da ferramenta de correlação (15), a correlação cruzada entre a corrente elétrica lida no transdutor modo atuador (10.1) e a tensão elétrica lida no transdutor modo sensor (10.2).

[0050] A leitura da corrente elétrica no transdutor sensor-atuador é possível, visto que o mesmo dispõe de um meio de leitura de corrente. Ademais, a utilização da corrente elétrica lida no transdutor no modo atuador (10.1) no cálculo da correlação cruzada com o sinal do transdutor no modo sensor (10.2), possibilita que, caso haja um vazamento no duto (11), o sinal de vazamento seja atenuado e não interfira no cálculo, permitindo assim atingir uma maior precisão no resultado obtido. O atraso de sinal, referente ao vazamento presente, pode então ser calculado utilizando dois ou mais transdutores com função atuador (10.1) e sensor (10.2) ou dois ou mais transdutores com função apenas de sensores (10.2) podendo-se estimar o atraso dos sinais.

[0051] Assim, a partir da correlação calculada, é obtida a estimativa da velocidade de propagação do ruído, onde para esta estimativa é utilizado o atraso de tempo no pico da função de correlação calculada como ilustrado na figura 10, onde por meio da equação:

[0052] é possível estimar a velocidade de propagação de ruído.

[0053] Para a exibição do cálculo de correlação e de estimativa de velocidade de propagação, é utilizado ao menos um display de visualização (21). Em uma concretização, display de visualização (21) é um tablete como ilustrado na figura 7.

[0054] Dessa forma, a presente invenção soluciona os problemas do estado da técnica a partir de uma solução que estima a velocidade de propagação de ruído de vazamento em ao menos um duto por meio de geração de sinais que envia a ao menos um sensor atuador um sinal conhecido, onde esse dito sensor atuador reproduz no duto o sinal recebido, os sensores restantes captam o sinal reproduzido ao longo do duto e ambos os sinais são enviados à unidade de processamento, que por meio de uma ferramenta de correlação (15) que compreende estimador de velocidade de propagação, realiza a correlação dos dois sinais e então estima a velocidade de propagação com base no atraso de tempo obtido no pico da função de correlação calculada, estimando dessa forma a velocidade com que o ruído se propaga no duto para cada cenário sem a necessidade de tabelas/parâmetros pré-definidos e já considerando as interferências físicas na velocidade do sinal, tais como climática, propriedades do solo, material do duto, etc., possibilitando, assim, redução de custos de aferidores de vazamento além de maior precisão do local de vazamento situado no duto.

Exemplo - Estimativa da velocidade de propagação de ruído em duto de plástico

[0055] Os exemplos aqui mostrados têm o intuito somente de exemplificar uma das inúmeras maneiras de se realizar a invenção, contudo sem limitar, o escopo da mesma.

[0056] Como pode ser visto na figura 1, uma das formas para se verificar a existência de vazamentos em um duto consiste em utilizar dois sensores (10) posicionados a uma distância ( d) conhecida e, a partir do ruído captado por ambos os sensores, é aplicada a função de correlação cruzada entre os sinais x 1 ( t) e x 1 ( t) e, em seguida, aplicada a fórmula da equação (1) indicada neste documento. Como dito anteriormente, nesta equação é utilizada uma constante c a qual se refere à velocidade de propagação do ruído no duto (11). Contudo, esta constante é tabelada e varia de acordo com diversos fatores, entre eles temperatura, umidade, propriedade do solo, material do duto, etc.

[0057] Com base nisso, a presente invenção propõe uma solução que está exemplificada pelas figuras 2.a e 2.b, onde um dos transdutores é colocado no modo atuador (10.1). O referido transdutor no modo atuador (10.1) é responsável por aplicar uma vibração mecânica no duto (11), de tal modo que esta vibração alcance o transdutor no modo sensor (10.2) que também pode ser um sensor convencional.

[0058] A vibração mecânica é gerada a partir de um sinal conhecido , que é um sinal periódico com uma banda de frequência que contém ao menos uma componente em frequência coincidente com a frequência natural do transdutor sensor-atuador (10.1), uma vez que na frequência natural o transdutor sensor-atuador (10.1), operando no modo atuador, vibra sem necessidade de se fornecer grande energia. Esta frequência natural do sensor pode ser adquirida previamente por meio de manuais ou testes convencionalmente realizados. Em outra concretização, podem ser utilizados um sinal do tipo Chirp, com duração pequena e um tempo de repouso mais longo, ou um sinal senoidal cuja frequência fundamental coincida com a frequência natural do transdutor sensor-atuador (10.1).

[0059] Considerando que a frequência natural do sensor obtida foi de 10 Hz, pôde-se optar por uma senoide com uma frequência fundamental de 10Hz; ou um Chirp variando entre 10Hz e 1000Hz em 0,1 segundo, repetindo-se a cada 1 segundo, ou seja, o atuador fica em repouso por 0,9 segundos, onde este sinal gerou impactos com um período menor (os impactos gerados pelo Chirp são mais rápidos). Teoricamente, esses transdutores podem funcionar em qualquer faixa de frequência (se considerado o modo "atuador”), entretanto, a energia de vazamento geralmente está localizada abaixo de 1000Hz. Os impactos gerados pela função periódica e Chirp ficam localizadas nessa faixa de frequência. Quando o transdutor está no modo "sensor”, então existe uma faixa de resposta linear onde esses transdutores/sensores podem ler a resposta da estrutura (sinal de vazamento) sem distorções devido sua dinâmica. A escolha dos parâmetros para o sinal inserido no transdutor sensor-atuador (10.1), de modo a não danificá-lo e possibilitar a operação, foi feita observando o impacto gerado e então regulando o ganho do transdutor sensor-atuador (10.1). Entretanto esse valor pode ser estimado.

[0060] Vale ressaltar que quando um transdutor (10) opera como atuador (10.1) o outro transdutor opera intrinsecamente como sensor (10.2) para a leitura dos sinais, ou seja, pode ser substituído por um sensor convencional. É possível, também, utilizar uma configuração em que ambos os transdutores (10) são capazes de operar como atuador (10.1), de tal modo que primeiramente um dos transdutores opere como atuador (10.1) e, posteriormente, repete-se o procedimento de modo invertido, com o outro transdutor operando como atuador, conforme exemplificado pela sequência de figuras 2.a e 2.b.

[0061] Com base nisso, ainda na figura 2, são obtidos dois sinais, sendo a 1 ( t), provindo do transdutor sensor-atuador (10.1), e a2 ( t), provindo do transdutor no modo sensor (10.2). O sinal a2(t) é composto pelo sinal do vazamento mais o sinal gerado pelo atuador, sendo possível caracterizar o duto. Este sinal a2(t) é medido em Volts.

[0062] Já o sinal a 1 ( t) apresenta apenas a função dos impactos gerados pelo sinal g (t) , onde isto é possível devido à leitura da corrente elétrica em um resistor posicionado no transdutor sensor-atuador (10.1). Foi identificado previamente que a leitura da tensão no transdutor sensor-atuador (10.1) continha interferência das ondas refletidas devido ao vazamento contido no duto (11), o que evidentemente prejudicava a medição. Para isso, foi adotada a leitura da corrente elétrica que circula em um resistor posicionado no transdutor sensor-atuador (10.1), onde este sinal é possível de ser lido sem a interferência das ondas refletidas.

[0063] Com isso, é possível realizar a correlação cruzada entre os sinais e , sendo que é um sinal de corrente elétrica e é um sinal de voltagem. Assim, quando a correlação cruzada é feita entre os sinais a 1 (t) e a2 ( t) , o sinal do vazamento l(t) é atenuado drasticamente sobrando o atraso de sinal devido à excitação do transdutor no modo atuador (10.1) somente. Como a distância ( d) entre os sensores é conhecida, a fórmula da velocidade média pode ser utilizada para estimar a velocidade com que o ruído se propaga ao longo do tubo. Abaixo, estão indicadas algumas parametrizações e configurações utilizadas para a realização das aplicações práticas.

[0064] Foram utilizados dois sensores (22) do tipo acelerômetro, um transdutor sensor-atuador (10.1), um notebook (16), um duto (11) de plástico, um amplificador de sinais, uma resistência (12) elétrica padrão de 1Ω, um amperímetro, uma célula de carga (23), um LMS SCADAS XS (15) para aquisição de dados e um tablete para visualização (21) dos dados.

[0065] O duto (11) de PVC estava enterrado e os sensores (22) foram posicionados como ilustrado na figura 1. Um transdutor sensor-atuador (10.1) acoplado no tubo (11) e ao acelerômetro (22) colado ao seu lado, como ilustrado na figura 8. O notebook (16) foi conectado por meio de sua saída ao amplificador de sinais e da saída do amplificador de sinais foi conectado à resistência (12) de 1Ω e então da resistência (12) foi conectada à entrada do sensor atuador (10.1). Foi conectado, também, o LMS SCADAS XS (15) na entrada do sensor atuador (10.1) e na saída do transdutor (10.2). Na saída do sensor atuador (10.1), foi conectado o amperímetro e da saída do amperímetro foi conectado o LMS SCADAS XS (15). O tablete obteve os valores recebidos pelo LMS SCADAS XS (15) e os exibiu em seu display (21).

[0066] Foi enviado um sinal do notebook (16) para o amplificador de sinais. O sinal passou pelo amplificador de sinais e então foi enviado para o transdutor no modo atuador (10.1). O transdutor no modo atuador (10.1) começou então a reproduzir o sinal por meio de vibrações no duto (11) de plástico como ilustrado na figura 4 e figura 5. Em seguida, o transdutor no modo sensor (10.2) recebeu a vibração resultante no duto (11) de plástico e enviou ao LMS SCADAS XS (15).

[0067] O LMS SCADAS XS (15) realizou, então, o cálculo da correlação cruzada básica por meio da densidade espectral cruzada do sinal do transdutor no modo atuador (10.1) e do sinal (20) do transdutor no modo sensor (10.2), onde a densidade espectral cruzada é dada por:
Sx1x2(⍵)=|Sx1x2(⍵)|eiφ(⍵)

[0068] onde φ é a fase entre a corrente medida no transdutor modo sensor (10.1) ( a 1 ( t) ) e a voltagem medida no Transdutor modo sensor (10.2) ou sensor convencional ( ), o é o módulo da densidade espectral cruzada entre o Transdutor no modo atuador (10.1) ( a 1 (t) ) e o Transdutor modo sensor (10.2) ou sensor convencional ( a 2 ( t) ) e ω é a frequência em radianos por segundo.

[0069] Após a aquisição da densidade espectral cruzada dos sinais, foi realizada a correlação cruzada básica dada por:

[0070] onde RX1Xz(t) é a correlação cruzada básica, F _ 1 é a transformada inversa de Fourier, SX1X2 é a densidade espectral entre o Transdutor no modo atuador (10.1) ( α 1 ( t) ) e o Transdutor modo sensor (10.2) ou sensor convencional ( α2 ( t) ) e τ um intervalo de tempo, onde a correlação cruzada básica fornece um atraso de tempo no pico de sua função (τρeak).

[0071] A correlação cruzada básica forneceu um atraso de tempo no pico de sua função (τρeak).

[0072] Após obter a correlação cruzada como ilustrado na figura 10, o valor obtido no pico de sua função foi usado para estimar a velocidade de propagação do ruído de vazamento dado por meio da equação 4.

[0073] Para fins de comparação, foram utilizados três tipos de excitação para estimar a velocidade de propagação do ruído de vazamento em um campo de testes como ilustrado pela figura 11, sendo esses três tipos:

[0074] a) Vazamento controlado localizado fora da seção do tubo entre os dois sensores (10) (ponto de medida);

[0075] b) Excitação gerada por um atuador comercial (excitação randômica e excitação Chirp); e

[0076] c) Excitação gerada pelo transdutor modo atuador (10.1) (excitação senoidal e excitação Chirp).

[0077] O campo de testes ilustrado pela figura 11 foi composto de um reservatório com água, onde essa água foi pressurizada por uma bomba de pressurização do sistema (367 kPa). No campo de testes simulado, o vazamento externo, ou fonte, é o (l1(t))), onde esta válvula simula um vazamento que ocorre fora dos pontos de medida, sendo efetuado o cálculo estimado da velocidade de propagação do ruído de vazamento ao longo da tubulação, utilizando uma fonte de excitação diferente dos atuadores propostos. Os valores adquiridos no campo de testes são apresentados na tabela a seguir:
Tabela 1 - Valores calculados no campo de testes

[0078] Sendo a equação teórica da tabela 1 dada por:

[0079] onde cw corresponde a velocidade de propagação do som na água, E é o módulo de Young do material que é feito o duto, a é o raio do duto, h é a espessura da parede do duto, Bw é o módulo de Bulk de elasticidade do fluído e Gs o módulo de cisalhamento do solo onde a rede de dutos está enterrada.

[0080] Dessa forma, é possível concluir com a tabela 1 que o transdutor sensor-atuador (10.1) possui uma acurácia próxima a do atuador comercial de custo elevado, onde o valor do atuador comercial mais próximo ao vazamento 1 é 508m/s e do transdutor no modo atuador (10.1) é 507m/s Além disso, a equação teórica que fornece uma estimativa da velocidade de propagação do ruído de vazamento baseado nas características construtivas e físicas do tubo e solo, também resulta em um valor próximo dos valores estimados pelos atuadores (comercial e 10.1), evidenciando sua eficácia.

[0081] Os versados na arte valorizarão os conhecimentos aqui apresentados e poderão reproduzir a invenção nas modalidades apresentadas e em outras variantes e alternativas, abrangidas pelo escopo das reivindicações a seguir.

Claims (10)

1. Sistema para estimativa de velocidade e de atraso de propagação de ruído de vazamento em ao menos um duto caracterizado por compreender:

   • a. dois ou mais transdutores (10) dispostos ao longo de um duto (11), sendo ao menos um transdutor (10) operando como um sensor atuador (10.1), em que o sensor atuador (10.1) compreende elemento (13) atuante orientado por meio de sinal;
   • b. meio de leitura de corrente associado a ao menos um transdutor (10);
   • c. unidade de processamento (14) compreendendo uma ferramenta de correlação (15) que compreende estimador de velocidade de propagação de ruído a partir da correlação; e
   • d. meio de geração de sinais (16) conectado a ao menos um transdutor operando como sensor atuador (10.1) e compreendendo meio de ajuste do sinal a ser enviado ao referido sensor atuador (10.1).
2. Sistema para estimativa de velocidade e de atraso de propagação de ruído, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ao menos um transdutor (10.) compreender estrutura (17) com um elemento (13) móvel associado a uma mola (18) e uma bobina (19) disposta na estrutura (17).
3. Sistema para estimativa de velocidade e de atraso de propagação de ruído, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do meio de leitura de corrente compreender: meio resistivo (12) de leitura de corrente conectado na entrada do transdutor operando como sensor-atuador (10.1); e medidor de corrente associado ao dito meio resistivo (12).
4. Sistema para estimativa de velocidade e de atraso de propagação de ruído, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o estimador de velocidade de propagação de ruído operar a partir da correlação entre o sinal (20) provindo de ao menos um transdutor (10) e de ao menos um transdutor sensor-atuador (10.1).
5. Sistema para estimativa de velocidade e de atraso de propagação de ruído, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de o sinal provindo do transdutor sensor-atuador (10.1) ser um sinal de corrente elétrica fornecido pelo meio de leitura de corrente.
6. Processo para estimativa de velocidade e de atraso de propagação de ruído de vazamento em ao menos um duto, em que o duto compreende dois ou mais transdutores posicionados a uma distância conhecida, caracterizado por ao menos um dos transdutores (10) operar como um sensor atuador (10.1) e compreender as etapas de:

   • a. inserção de um sinal conhecido por ao menos um meio de geração de sinais (16) em um transdutor sensor-atuador (10.1);
   • b. cálculo de correlação, por meio de uma unidade de processamento (14) compreendendo uma ferramenta de correlação (15), em que a correlação é calculada a partir de um sinal reproduzido pelo transdutor no modo atuador (10.1), que é gerado pelo sinal conhecido inserido, e de um sinal (20) recebido por ao menos um transdutor (10); e
   • c. estimativa de velocidade de propagação de ruído pela unidade de processamento (14) a partir da correlação calculada.
7. Processo para estimativa de velocidade e de atraso de propagação de ruído de vazamento em ao menos um duto, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por compreender a etapa adicional de exibição do cálculo de correlação e de estimativa de velocidade de propagação por meio de ao menos um display de visualização (21).
8. Processo para estimativa de velocidade e de atraso de propagação de ruído de vazamento em ao menos um duto, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato da etapa de cálculo de correlação compreender as subetapas de:

   • a. recebimento do sinal reproduzido pelo transdutor sensor-atuador (10.1) e do sinal (20) recebido por ao menos um transdutor (10) ou um transdutor sensor-atuador no modo sensor (10.2); e
   • b. correlação de um sinal resultante do sinal reproduzido pelo transdutor no modo atuador (10.1) com o sinal (20) recebido pelo transdutor (10) ou transdutor no modo sensor (10.2), em que o referido sinal resultante é uma corrente elétrica medida na saída do transdutor sensor-atuador (10.1).
9. Processo para estimativa de velocidade e de atraso de propagação de ruído de vazamento em ao menos um duto, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato da etapa de estimativa de velocidade de propagação compreender as subetapas de:

   • a. detecção de um atraso de tempo pelo pico de um sinal de correlação calculado; e
   • b. estimativa da velocidade que o ruído se propaga ao longo do duto (11) por meio de cálculo da distância entre o transdutor sensor-atuador (10.1) e pelo menos um transdutor (10) em relação ao atraso de tempo detectado.
10. Processo para estimativa de velocidade e de atraso de propagação de ruído de vazamento em ao menos um duto, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por o sinal inserido conhecido ser ao menos um entre:

    • a. um sinal periódico com uma banda de frequência contendo ao menos uma componente em frequência coincidente com a frequência natural do transdutor sensor-atuador (10.1);
    • b. um sinal randômico senoidal com uma frequência fundamental de 10Hz;
    • c. um sinal randômico senoidal com uma frequência fundamental coincidente com a frequência natural do transdutor sensor-atuador (10.1) ; ou
    • d. um sinal Chirp com variação em frequência, dentro de uma faixa de frequência previamente definida, e em um intervalo de tempo previamente definido.

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