BR102022005735A2

BR102022005735A2 - Sistema para prever falha e/ou estimar vida útil restante de um elemento de aquecimento resistivo de uma sonda de dados do ar, e, método para prever falha

Info

Publication number: BR102022005735A2
Application number: BR102022005735-4A
Authority: BR
Inventors: Kaare Josef Anderson; Magdi A. Essawy
Original assignee: Rosemount Aerospace Inc.
Priority date: 2021-03-30
Filing date: 2022-03-25
Publication date: 2022-10-04
Also published as: US20220317202A1; EP4067910A1; US11762040B2; CA3154165A1

Abstract

Aparelhos e métodos associados se referem à predição de falha e/ou estimativa de vida útil restante de um aquecedor de sonda de dados do ar. A falha é prevista ou a vida útil é estimada com base em uma métrica elétrica da energia elétrica operacional fornecida a um elemento de aquecimento resistivo do aquecedor de sonda de dados do ar. A métrica elétrica do aquecedor de sonda de dados do ar é uma ou mais dentre: i) relação de fase entre a tensão através do elemento de aquecimento resistivo e a corrente de vazamento, que é conduzida a partir do elemento de aquecimento resistivo a um envoltório condutor que circunda o elemento de aquecimento resistivo; ii) um perfil de domínio de tempo da corrente de vazamento através do isolamento do elemento de aquecimento durante um ciclo de energia completo; e/ou iii) componentes de alta frequência da corrente elétrica conduzida pelo elemento de aquecimento resistivo e/ou pela tensão através do elemento de aquecimento resistivo.

Description

SISTEMA PARA PREVER FALHA E/OU ESTIMAR VIDA ÚTIL RESTANTE DE UM ELEMENTO DE AQUECIMENTO RESISTIVO DE UMA SONDA DE DADOS DO AR, E, MÉTODO PARA PREVER FALHA

REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDO(S) RELACIONADO(S)

[001] Este pedido se refere aos seguintes pedidos de patentes U.S. depositados simultaneamente: i) pedido de patente U.S. n° [[TBD]] 17/218.065, n° do dossiê do advogado U200-012246, intitulado “Air Data Probe Heater Failure Prediction”, por Kaare Josef Anderson e Magdi A. Essawy; e ii) pedido de patente U.S. n° [[TBD]] 17/218.066, n° do dossiê do advogado U200-012247, intitulado “Air Data Probe Heater Failure Prediction”, por Kaare Josef Anderson e Magdi A. Essawy. Ambos os pedidos de patente U.S. citados acima e relacionados são incorporados ao presente documento a título de referência em sua totalidade.

FUNDAMENTOS

[002] Falhas inesperadas de sondas de dados do ar, como sondas Pitot e sondas de temperatura total do ar, podem levar a atrasos nos voos e custos relacionados para os operadores de aeronaves. As sondas de dados do ar incluem, normalmente, elementos aquecedores resistivos para evitar problemas operacionais relacionados ao acúmulo de gelo em voo. Um dos tipos mais comuns de falhas em sondas de dados do ar é a falha do elemento de aquecimento resistivo. A capacidade de prever uma falha futura do elemento de aquecimento resistivo em sondas de dados do ar permitiria e facilitaria a manutenção preventiva a ser realizada sem causar atrasos nos voos.

[003] O elemento aquecedor em uma sonda de dados do ar consiste, geralmente, em um fio aquecedor resistivo cercado por um isolante e encapsulado dentro de um envoltório metálico. O isolador cria uma resistência elétrica muito alta entre o envoltório metálico (muitas vezes, eletricamente conectado ao corpo da sonda) e o próprio fio aquecedor. A presença do fio aquecedor, isolador e envoltório metálico também cria uma capacitância entre o envoltório e o fio aquecedor. A combinação da resistência de isolamento e a capacitância do envoltório do fio cria uma trajetória para a corrente de vazamento fluir do fio aquecedor para o envoltório quando uma tensão é aplicada ao elemento de aquecimento.

SUMÁRIO

[004] Aparelhos e métodos associados se referem a um sistema para prever falhas e/ou estimar a vida útil restante de um elemento de aquecimento resistivo de uma sonda de dados do ar. O sistema inclui uma fonte de energia elétrica, um sensor elétrico, um comparador de sinal e um mecanismo de predição de vida restante. A fonte de energia elétrica fornece energia elétrica operacional ao elemento de aquecimento resistivo. O sensor elétrico detecta a tensão e/ou a corrente da energia elétrica operacional fornecida ao elemento de aquecimento resistivo. O comparador de sinal determina uma relação de fase de uma corrente de vazamento em relação à tensão e/ou corrente da energia elétrica operacional fornecida ao elemento de aquecimento resistivo. O mecanismo de predição de vida restante estima uma vida restante do elemento de aquecimento resistivo com base na relação de fase determinada.

[005] Algumas modalidades se referem a um método para prever a falha de um elemento de aquecimento resistivo de uma sonda de dados do ar. O método inclui fornecer, através de uma fonte de energia elétrica, energia elétrica operacional ao elemento de aquecimento resistivo. O método inclui detectar, através de um sensor elétrico, a tensão e/ou a corrente da energia elétrica operacional fornecida ao elemento de aquecimento resistivo. O método inclui determinar, através de um comparador de sinal, uma relação de fase de uma corrente de vazamento em relação à tensão e/ou corrente da energia elétrica operacional fornecida ao elemento de aquecimento resistivo. O método também inclui estimar, através de um mecanismo de predição de vida restante, uma vida restante do elemento de aquecimento resistivo com base na relação de fase determinada.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[006] A Figura 1 é um diagrama esquemático de uma aeronave equipada com um sistema para prever falhas e/ou estimar a vida útil restante de um aquecedor de sonda de dados do ar.

[007] A Figura 2 é um gráfico de um diagrama em corte transversal de um elemento de aquecimento resistivo, juntamente com o material isolante coaxial e um envoltório condutor coaxial.

[008] A Figura 3 é um circuito esquemático simplificado que demonstra o comportamento de vazamento de um elemento de aquecimento resistivo polarizado por uma fonte de energia elétrica.

[009] As Figuras 4A-4C são gráficos de corrente de vazamento e tensão elétrica de CA de energia operacional fornecida a um elemento de aquecimento resistivo, para várias condições de saúde de um elemento de aquecimento resistivo.

[0010] A Figura 5 é um gráfico da relação entre a corrente de vazamento e a fase de tensão na energia operacional fornecida a um elemento de aquecimento resistivo em função da temperatura.

[0011] A Figura 6 é um gráfico de dados de atraso da fase de corrente de vazamento adquiridos ao longo da vida útil de um elemento de aquecimento resistivo.

[0012] A Figura 7 é um gráfico de vários comportamentos de partida para a corrente de vazamento da energia operacional fornecida a um elemento de aquecimento resistivo.

[0013] A Figura 8 é um gráfico de ruído de alta frequência na corrente elétrica de CA fornecida a um elemento de aquecimento resistivo que mostra degradação.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0014] Aparelhos e métodos associados se referem à predição de falha e/ou estimativa de vida útil restante de um aquecedor de sonda de dados do ar. A falha é prevista ou a vida útil é estimada com base em uma métrica elétrica da energia elétrica operacional fornecida a um elemento de aquecimento resistivo do aquecedor de sonda de dados do ar. A métrica elétrica do aquecedor de sonda de dados do ar é uma ou mais dentre: i) relação de fase entre a tensão através do elemento de aquecimento resistivo e a corrente de vazamento, que é conduzida a partir do elemento de aquecimento resistivo a um envoltório condutor que circunda o elemento de aquecimento resistivo; ii) um perfil de domínio de tempo da corrente de vazamento através do isolamento do elemento de aquecimento durante um ciclo de energia completo; e/ou iii) componentes de alta frequência da corrente elétrica conduzida pelo elemento de aquecimento resistivo e/ou a tensão através do elemento de aquecimento resistivo.

[0015] A Figura 1 é um diagrama esquemático de uma aeronave equipada com um sistema para prever falhas e/ou estimar a vida útil restante de um aquecedor de sonda de dados do ar. Na Figura 1, a aeronave 10 inclui o mecanismo 12, que aciona o gerador elétrico 14 de modo a fornecer energia elétrica operacional a vários sistemas elétricos alimentados a bordo da aeronave 10. A aeronave 10 também está equipada com vários sensores de sonda de dados do ar, incluindo o sensor de sonda de dados do ar 16. O sensor de sonda de dados do ar 16 é um sistema elétrico alimentado pelo sistema de distribuição de energia da aeronave 18. O sensor de sonda de dados do ar 16 recebe energia operacional da fonte de energia da aeronave 18 através do cabo de energia elétrica operacional 20. A aeronave 10 também está equipada com o sistema de monitoramento de saúde 22, que prevê falha e/ou estima a vida útil restante do elemento de aquecimento resistivo 24 do sensor de sonda de dados do ar 16. Na modalidade representada, o sistema de monitoramento de saúde 22 é configurado para prever falha e/ou estimar a vida útil restante do elemento de aquecimento resistivo 24 com base em uma métrica elétrica de energia elétrica operacional fornecida ao elemento de aquecimento resistivo 24.

[0016] Embora o sistema de monitoramento de saúde 22 preveja a falha e/ou estime a vida útil restante do elemento de aquecimento resistivo 24 para qualquer um de uma variedade de sensores de sonda de dados do ar, na modalidade representada, o sensor de sonda de dados do ar 16 detecta a pressão do ar. Vários sensores de sonda de dados do ar detectam a pressão do ar com a finalidade de determinar várias métricas de dados do ar, como velocidade do ar, altitude, ângulo de ataque, etc. Na modalidade representada, o sensor de sonda de dados do ar 16 é um detector de velocidade do ar de tubo Pitot que inclui o elemento de aquecimento resistivo 24 e o sensor de sonda de dados do ar de pressão ram 26. O elemento de aquecimento resistivo 24 é configurado para evitar o congelamento do sensor de sonda de dados do ar 16 quando a aeronave 10 está operando em uma atmosfera na qual o acúmulo de gelo pode ocorrer.

[0017] O sistema de monitoramento de saúde 22 inclui a fonte de energia elétrica 28, o sensor elétrico 30 e o mecanismo de predição de vida restante 32. A fonte de energia elétrica 28 converte a energia elétrica recebida da fonte de energia da aeronave 18 em uma ou mais configurações de energia diferentes para uso pelo sensor de sonda de dados do ar 16 e/ou elemento de aquecimento resistivo 24. O sensor elétrico 30 é configurado para detectar uma métrica elétrica da energia operacional fornecida ao elemento de aquecimento resistivo 24. A métrica elétrica detectada pelo sensor elétrico 30 é pelo menos uma dentre: i) relação de fase entre a corrente elétrica conduzida a partir do elemento de aquecimento resistivo a seu envoltório condutor circundante e a tensão através do elemento de aquecimento resistivo; ii) um perfil de domínio de tempo durante um ciclo de energia completo da corrente de vazamento conduzida a partir do elemento de aquecimento resistivo a seu envoltório condutor circundante ou a tensão através do elemento de aquecimento resistivo; e/ou iii) componentes de alta frequência da corrente elétrica conduzida pelo elemento de aquecimento resistivo e/ou da tensão através do elemento de aquecimento resistivo.

[0018] O mecanismo de predição de vida restante 32 prevê a falha e/ou estima a vida útil restante do elemento de aquecimento resistivo 24 com base na métrica elétrica detectada pelo sensor elétrico 30. Cada uma dentre as várias métricas elétricas descritas acima pode ser indicativa da saúde do elemento de aquecimento resistivo 24. Cada uma dessas métricas elétricas descritas deve ser, ainda, descrita abaixo, juntamente com a relação que essas métricas elétricas têm com a saúde do elemento de aquecimento resistivo 24, com referência às Figuras 2-8.

[0019] A Figura 2 é um gráfico de um diagrama em corte transversal de um elemento de aquecimento resistivo, juntamente com o material isolante coaxial e um envoltório condutor coaxial. O elemento de aquecimento resistivo 24 é projetado para ter uma relação resistência-temperatura particular. A temperatura de elemento de aquecimento resistivo 24 pode ser determinada com base em uma determinação da resistência elétrica do elemento de aquecimento resistivo 24. Por exemplo, a resistência elétrica do elemento de aquecimento resistivo 24 pode aumentar monotonicamente com o aumento da temperatura crescente. Para tal relação resistência-temperatura, a temperatura do elemento de aquecimento resistivo 24 é uma função da resistência do elemento de aquecimento resistivo 24. O material isolante coaxial 34 fornece isolamento elétrico entre o elemento de aquecimento resistivo 24 e o envoltório condutor coaxial circundante 36. Tal isolamento elétrico permite que o elemento de aquecimento resistivo 24 seja eletricamente polarizado independentemente do envoltório condutor coaxial 36, que é tipicamente aterrado.

[0020] A Figura 3 é um circuito esquemático simplificado que demonstra o comportamento de vazamento de um elemento de aquecimento resistivo polarizado por uma fonte de energia elétrica. Na Figura 3, a fonte de energia elétrica 28 fornece energia operacional ao elemento de aquecimento resistivo 24. O elemento de aquecimento resistivo 24 tem uma trajetória de vazamento 38 em um local específico ao longo de um comprimento do elemento de aquecimento resistivo 24. O modelo de parâmetro concentrado simplificado do elemento de aquecimento resistivo 24 tem porções de cada lado do local particular ao longo de seu comprimento, como representado pelo primeiro resistor de aquecimento RH1 e pelo segundo resistor de aquecimento RH2. Embora apenas uma trajetória de vazamento seja representada, cada seção do elemento de aquecimento resistivo 24 pode ser modelada com tal trajetória de vazamento. A trajetória de vazamento 38 é modelada como resistência de vazamento RLKG em paralelo com a capacitância de vazamento Clkg.

[0021] Os valores da resistência de vazamento RLKG e da capacitância de vazamento CLKG podem mudar ao longo do tempo por vários motivos. Por exemplo, o material isolante coaxial 24 (representado na Figura 2) pode se degradar, proporcionando maior condutividade e/ou acoplamento capacitivo alterado entre o elemento de aquecimento resistivo 24 e o envoltório condutor coaxial circundante 36. Esses dois mecanismos - aumento da condutividade e/ou aumento do acoplamento capacitivo - são representados como o resistor de vazamento RLKG e o capacitor de vazamento CLKG, respectivamente. O mecanismo primário em resposta à degradação do material isolante 34 é o aumento da condutividade (isto é, redução da resistência de vazamento RLKG). À medida que a resistência de vazamento RLKG diminui (por exemplo, devido à degradação do material isolante 34), o caráter da trajetória de vazamento muda do estado principalmente capacitivo para o mais resistivo.

[0022] Mudanças na resistência de vazamento RLKG e/ou capacitância de vazamento CLKG da trajetória de vazamento 38 mudam o comportamento elétrico do elemento de aquecimento resistivo 24. Quando a trajetória de vazamento é principalmente capacitiva (por exemplo, quando o material isolante não é degradado), o elemento de aquecimento resistivo 24 e o envoltório condutor coaxial 36 são principalmente acoplados capacitivamente um ao outro (isto é, RLKG é muito grande). Assim, a relação de fase entre a corrente de vazamento e a tensão através do elemento de aquecimento resistivo 24 estará principalmente fora de fase (por exemplo, cerca de 90 graus). Para o acoplamento capacitivo, a corrente elétrica orienta a tensão. Mas, quando um curto se desenvolve entre o elemento de aquecimento resistivo 24 e o envoltório condutor coaxial 36, o ângulo de fase ficará menos fora de fase, pois o acoplamento entre o elemento de aquecimento resistivo 24 e o envoltório condutor coaxial 36 se torna mais condutor (isto é, resistência de vazamento RLKG se torna menor) e menos capacitivo.

[0023] As Figuras 4A-4C são gráficos de tensão elétrica de CA de energia operacional fornecida a um elemento de aquecimento resistivo e corrente de vazamento, para várias condições de saúde de um elemento de aquecimento resistivo. Na Figura 4A, o gráfico 40 inclui eixo horizontal 42, eixo vertical 44, relação tensão-tempo 46 e relação corrente-tempo 48. O eixo horizontal 42 é indicativo do tempo. O eixo vertical 44 é indicativo da tensão e corrente de vazamento. A relação tensão-tempo 46 representa o comportamento temporal da tensão através do elemento de aquecimento resistivo 24 (como representado na Figura 3). Na relação tensão-tempo representada, a fonte de energia elétrica 28 fornece energia operacional CA ao elemento de aquecimento resistivo 24. Na Figura 4A, a relação corrente-tempo de vazamento 48 está principalmente fora de fase com a relação tensão-tempo 46. A relação corrente-tempo de vazamento 48 conduz a relação tensão-tempo 46 em cerca de 90 graus. Tal relação ocorre quando o capacitor de vazamento CLKG é muito grande, em comparação com a trajetória resistiva (por exemplo, a impedância associada ao capacitor de vazamento CLKG é um contribuinte dominante para a corrente de vazamento na frequência da energia operacional CA - a resistência de isolamento nesse caso é bastante grande e tem uma contribuição muito menor para a corrente de vazamento). Tal relação de fase é indicativa de pouca ou nenhuma degradação do material isolante 34.

[0024] Na Figura 4B, o gráfico 50 inclui eixo horizontal 52, eixo vertical 54, relação tensão-tempo 56 e relação corrente-tempo de vazamento 58. O eixo horizontal 52 é indicativo do tempo. O eixo vertical 54 é, novamente, indicativo da tensão e corrente de vazamento. A relação tensão-tempo 56 representa o comportamento temporal da tensão através do elemento de aquecimento resistivo 24 (como representado na Figura 3). Na relação tensão-tempo representada, a fonte de energia elétrica 28 fornece energia operacional CA ao elemento de aquecimento resistivo 24. Na Figura 4B, a relação corrente-tempo de vazamento 58 não está na fase com a relação tensão-tempo 56. A relação corrente-tempo de vazamento 58 conduz a relação tensão-tempo 56 em cerca de 45 graus. Tal relação pode ocorrer quando a impedância do capacitor de vazamento CLKG é comparável com a impedância do resistor de vazamento RLKG na frequência da energia operacional CA. Tal relação de fase é indicativa de alguma degradação do material isolante 34.

[0025] Na Figura 4C, o gráfico 60 inclui eixo horizontal 62, eixo vertical 64, relação tensão-tempo 66 e relação corrente-tempo de vazamento 68. O eixo horizontal 62 é, novamente, indicativo do tempo. O eixo vertical 64 é, novamente, indicativo da tensão e corrente de vazamento. A relação tensão-tempo 66 representa o comportamento temporal da tensão através do elemento de aquecimento resistivo 24 (como representado na Figura 3). Na relação tensão-tempo representada, a fonte de energia elétrica 28 fornece energia operacional CA ao elemento de aquecimento resistivo 24. Na Figura 4C, a relação corrente-tempo de vazamento 48 está principalmente na fase com a relação tensão-tempo 66. Tal relação ocorre quando o material isolante 34 fica comprometido (por exemplo, muito fino ou inexistente em alguns pontos).

[0026] A temperatura também afeta a relação de fase da corrente elétrica e a tensão para um elemento de aquecimento resistivo degradado. Tal dependência de temperatura pode ocorrer por vários motivos. Por exemplo, à medida que o elemento de aquecimento resistivo 24 aquece, a condutância de vazamento (isto é, a inversa de RLKG) pode diminuir à medida que a umidade é afastada do material isolante coaxial 34. Essa diminuição na condutância de vazamento 1/RLKG pode fazer com que a relação de fase entre a corrente de vazamento e a tensão através do elemento de aquecimento resistivo 24 fique um pouco mais fora de fase (por exemplo, entre uma mudança de 10 e 30 graus de sua relação de fase de temperatura fria inicial). Além disso, pode ocorrer uma dependência de temperatura porque a qualidade isolante do material isolante 34 pode mudar em função da temperatura. Assim, entender a dependência normal da temperatura da relação de fase de corrente-tensão de vazamento pode ajudar a identificar quando tal relação de fase é anormal.

[0027] A Figura 5 é um gráfico da relação entre a corrente de vazamento e a fase de tensão na energia operacional fornecida a um elemento de aquecimento resistivo em função da temperatura. Na Figura 5, o gráfico 70 inclui eixo horizontal 72, eixo vertical 74 e relação de fase de corrente-tensão de vazamento 76. O eixo horizontal 72 é indicativo da temperatura. O eixo vertical 74 é indicativo do ângulo de atraso da fase da corrente de vazamento em relação à tensão da energia operacional fornecida ao elemento de aquecimento resistivo 24 (representado na Figura 2). A relação de fase de corrente-tensão de vazamento 76 indica que, em temperaturas baixas, a corrente elétrica é atrasada em cerca de -90 graus (isto é, a corrente elétrica orienta a tensão em cerca de 90 graus). À medida que a temperatura aumenta, o atraso da fase da corrente de vazamento aumenta (isto é, diminui em magnitude negativa). Uma mudança tão grande na relação de fase é indicativa de uma sonda, na qual o material isolante 34 foi degradado. Para uma sonda saudável, as mudanças na relação de fase devido ao aquecimento do elemento de aquecimento resistivo são tipicamente modestas (por exemplo, entre 10 e 30 graus). Em temperaturas muito quentes, o atraso da fase da corrente de vazamento cruza zero graus para o elemento de aquecimento resistivo com material isolante degradado, como ilustrado na Figura. Como o aquecimento do elemento de aquecimento resistivo pode causar alguma mudança na relação de fase, algumas modalidades do sistema de monitoramento de saúde 22 usam dados de fase de corrente-tensão de vazamento adquiridos a uma temperatura padrão predeterminada. Outras modalidades do sistema de monitoramento de saúde 22 comparam medições de dados de fase de corrente-tensão de vazamento com uma relação de fase de corrente-tensão de vazamento predeterminada conhecida, como, por exemplo, a relação de fase de corrente-tensão de vazamento 76.

[0028] A Figura 6 é um gráfico de dados de atraso da fase de corrente de vazamento adquiridos ao longo da vida útil de um elemento de aquecimento resistivo. Na Figura 6, o gráfico 80 inclui eixo horizontal 82, eixo vertical 84, dados de corrente de vazamento 86 e projeção de corrente de vazamento 88. O eixo horizontal 82 é indicativo do número de ciclos de energia do aquecedor. O eixo vertical 84 é indicativo do atraso da fase de corrente de vazamento. Cada vez que o elemento de aquecimento resistivo 24 é desligado e ligado (isto é, ligado e operado), os dados são coletados a uma temperatura operacional predeterminada, à medida que a temperatura do elemento de aquecimento resistivo 24 cruza aquela temperatura operacional predeterminada. Esses dados adquiridos são representados no gráfico 80 como os dados de corrente de vazamento 86. Uma linha de tendência é ajustada aos dados de corrente de vazamento 86 e projetada como a projeção de atraso da fase de corrente de vazamento 88 no gráfico 80. O número de ciclos de energia restantes antes da projeção de atraso da fase de corrente de vazamento 88 cruzar um limite predeterminado pode indicar uma vida útil restante do elemento de aquecimento resistivo 24. Na modalidade representada, o limite predeterminado é de zero graus, mas tal limite não precisa ser de zero graus, dependendo da margem de testagem de vida útil da modalidade particular. predeterminado é de zero graus, mas tal limite não precisa ser de zero graus, dependendo da margem de testagem de vida útil da modalidade particular.

[0029] Em vez de prever a falha e/ou estimar a vida útil restante de um elemento de aquecimento resistivo com base na fase de corrente-tensão de vazamento da energia operacional fornecida ao mesmo, algumas modalidades preveem a falha e/ou estimam a vida útil restante de um elemento de aquecimento resistivo com base no comportamento de partida temporal das métricas elétricas da energia operacional. A Figura 7 é um gráfico de vários comportamentos de partida para a corrente de vazamento de um elemento de aquecimento resistivo. Na Figura 7, o gráfico 90 inclui eixo horizontal 92, eixo vertical 94 e relações corrente-tempo de vazamento 96A-96C. O eixo horizontal 92 é indicativo do tempo medido desde a provisão inicial de energia ao elemento de aquecimento resistivo 24. O eixo vertical 94 é indicativo da corrente de vazamento medida entre o elemento de aquecimento resistivo 24 e o envoltório condutor coaxial 38. Na relação tensão-tempo representada, a fonte de energia elétrica 28 fornece energia operacional CA ao elemento de aquecimento resistivo 24. Em tais modalidades de CA, os valores de RMS da corrente e da energia podem ser monitorados e o comportamento de partida dessas métricas elétricas monitoradas são indicativos da saúde do envoltório condutor coaxial 36 e/ou material isolante coaxial 34. Um aumento nas exibições de corrente de vazamento de flutuações de ruído pode indicar uma presença de umidade, indicando, assim, danos no envoltório condutor coaxial 36 e/ou no material isolante coaxial 34. Em algumas modalidades, a energia operacional de CC é fornecida ao elemento de aquecimento resistivo 24. Essa corrente de vazamento pode ter um comportamento de partida que varia em resposta à condição de saúde e em resposta à presença ou ausência de umidade. As relações tempo-corrente 96A-96C representam a corrente de vazamento do elemento de aquecimento resistivo 24 medido no tempo de partida para três ciclos de partida consequentes que representam diferentes condições de teor de umidade que variam de umidade a menos umidade a nenhuma umidade.

[0030] O envoltório condutor coaxial 36 é configurado para fornecer uma barreira física entre o elemento de aquecimento resistivo 24 e o material isolante coaxial 32 do ambiente atmosférico. A umidade no ambiente atmosférico pode causar a degradação de cada um dentre os materiais isolantes coaxiais 32 e o elemento de aquecimento resistivo 24, caso tais elementos sejam expostos à umidade na atmosfera. No entanto, a integridade da barreira apresentada pelo envoltório condutor coaxial 36 pode ficar comprometida com a idade. E se o envoltório condutor coaxial 36 ficar comprometido, as correntes de vazamento podem aumentar como um resultado da degradação (por exemplo, afinamento, rachaduras, etc.) do material isolante coaxial 34. Tal degradação pode ser devido a um envoltório condutor coaxial comprometido 36, que, quando comprometido, pode permitir o ingresso da umidade no material isolante coaxial 34 e no elemento de aquecimento resistivo 24. A relação corrente-tempo 96A representa o perfil de corrente de vazamento do ciclo de energia para o elemento de aquecimento resistivo 24 antes do ingresso da umidade no material isolante coaxial 34 e/ou elemento de aquecimento resistivo 24. A relação corrente-tempo 96C representa o perfil de corrente de vazamento de partida para o elemento de aquecimento resistivo 24 após o ingresso da umidade no material isolante coaxial 34 e/ou elemento de aquecimento resistivo 24. Tal ingresso da umidade auxilia a condução de correntes elétricas, aumentando, assim, o nível de corrente de vazamento até que o elemento de aquecimento térmico 34 aqueça o suficiente para afastar a umidade presente. A assíntota de corrente em estado estacionário é maior para a relação corrente-tempo 96C do que a assíntota de corrente em estado estacionário para a relação corrente-tempo 96A. A relação corrente-tempo 96B representa o perfil de corrente de vazamento do ciclo de energia para o elemento de aquecimento resistivo 24 após o ingresso da umidade no material isolante coaxial 34 e/ou elemento de aquecimento resistivo 24 (por exemplo, após a umidade ter sido expulsa do material isolante coaxial 34 por temperaturas geradas pelo elemento de aquecimento resistivo 24). A assíntota de corrente em estado estacionário permanece maior para a relação corrente-tempo 96B do que a assíntota de corrente em estado estacionário para a relação corrente-tempo 96A. Além disso, existem alguns picos de alta frequência sobrepostos à relação corrente-tempo 96B, que não são exibidos na relação corrente-tempo 96A.

[0031] Outra maneira de estimar a vida útil restante de um elemento de aquecimento resistivo é detectar os componentes de sinal de alta frequência que são indicativos da integridade comprometida do material isolante coaxial 34 e/ou do elemento de aquecimento resistivo 24. A Figura 8 é um gráfico de ruído de alta frequência nas correntes elétricas CA fornecidas a um elemento de aquecimento resistivo que mostra degradação. Na Figura 8, o gráfico 100 inclui eixo horizontal 102, eixo vertical 104 e relações corrente elétrica-tempo 106 e 108. O eixo horizontal 102 é indicativo do tempo. O eixo vertical 104 é indicativo da amplitude da corrente elétrica da energia operacional fornecida ao elemento de aquecimento resistivo 24. A relação corrente elétrica-tempo 106 representa o comportamento temporal da corrente elétrica da energia operacional fornecida ao elemento de aquecimento resistivo 24 (como representado na Figura 3), para um elemento de aquecimento resistivo com material isolante saudável 34. Na relação corrente elétrica-tempo representada, a fonte de energia elétrica 28 fornece energia operacional CA ao elemento de aquecimento resistivo 24. A relação corrente elétrica-tempo 108 representa o comportamento temporal da corrente elétrica da energia operacional fornecida ao elemento de aquecimento resistivo 24 (como representado na Figura 3), para um elemento de aquecimento resistivo com material isolante degradado 34. A principal diferença entre a relação corrente elétrica-tempo 106 e a relação corrente elétrica-tempo 108 é o comportamento de alta frequência (isto é, em frequências altas em comparação com a frequência da energia operacional CA). A relação corrente elétrica-tempo 108 tem ruído de alta frequência discernível sobreposto ao sinal CA, enquanto a relação corrente elétrica-tempo 106 não tem ruído de alta frequência discernível. Tal ruído de alta frequência pode ser indicativo de um elemento de aquecimento resistivo corroído 24. A relação corrente-tempo 108 tem tais componentes de alta frequência indicativos de degradação (por exemplo, microrrachaduras) do elemento de aquecimento resistivo 24 sobreposto na corrente CA em forma de onda.

[0032] Componentes de alta frequência na relação corrente-tempo 108 também podem ser causados por outros fatores. Por exemplo, quaisquer componentes de alta frequência na tensão da energia operacional fornecida ao elemento de aquecimento resistivo 24 serão replicados na relação corrente-tempo 106 para o elemento de aquecimento resistivo 34 que não é degradado. Portanto, a detecção de componentes de alta frequência tanto da relação tensão-tempo 106 quanto da relação corrente-tempo 108 pode ser usada para determinar se tais componentes estão presentes em apenas uma das duas métricas elétricas. Por exemplo, uma razão pode ser feita entre os componentes de alta frequência da relação corrente-tempo 108 e os componentes de alta frequência da tensão da energia operacional fornecida ao elemento de aquecimento resistivo 24. Então, tal razão pode ser comparada com um valor limite predeterminado. Se a razão for maior que o valor limite predeterminado, o mecanismo de predição de vida restante 32 pode gerar um sinal indicativo do evento. Um registro de tais incidências de tal comparação pode ser mantido. A vida útil restante pode ser determinada com base nesse registro.

[0033] Tais componentes de alta frequência podem ser detectados, por exemplo, tomando-se uma derivada da tensão da energia operacional fornecida ao elemento de aquecimento resistivo 24 e/ou relação corrente-tempo 108. A operação de derivação amplifica os componentes de alta frequência acima dos componentes de frequência baixa. Uma razão entre as derivadas da relação corrente-tempo e a relação tensão-tempo pode, então, ser comparada com um limite predeterminado. Se a razão for maior que o limite predeterminado, tal comparação pode ser indicativa de microrrachaduras no elemento de aquecimento resistivo 24. O mecanismo de predição de vida restante 32 pode fazer tais cálculos (por exemplo, obter as derivadas, calcular a razão e fazer a comparação, etc.) de várias maneiras. Por exemplo, o mecanismo de predição de vida restante 32 pode incluir um processador, uma matriz lógica programável ou qualquer outro tipo de dispositivo programável. Em algumas modalidades, o mecanismo de predição de vida restante 32 pode ser configurado para realizar todas as operações usando-se o conjunto de circuitos discreto.

DISCUSSÃO DAS MODALIDADES POSSÍVEIS

[0034] A seguir, estão as descrições não exclusivas de possíveis modalidades da presente invenção.

[0035] Aparelhos e métodos associados se referem a um sistema para prever falhas e/ou estimar a vida útil restante de um elemento de aquecimento resistivo de uma sonda de dados do ar. O sistema inclui uma fonte de energia elétrica, um sensor elétrico, um comparador de sinal e um mecanismo de predição de vida restante. A fonte de energia elétrica fornece energia elétrica operacional ao elemento de aquecimento resistivo. O sensor elétrico detecta a tensão e/ou corrente da energia elétrica operacional fornecida ao elemento de aquecimento resistivo. O comparador de sinal determina uma relação de fase de uma corrente de vazamento em relação à tensão e/ou corrente da energia elétrica operacional fornecida ao elemento de aquecimento resistivo. O mecanismo de predição de vida restante estima uma vida restante do elemento de aquecimento resistivo com base na relação de fase determinada.

[0036] O sistema do parágrafo anterior pode incluir, de modo opcional, adicional e/ou alternativo, qualquer um ou mais dentre os seguintes recursos, configurações e/ou componentes adicionais:

[0037] Uma modalidade adicional do sistema anterior, em que o mecanismo de predição de vida restante pode estimar a vida restante do elemento de aquecimento resistivo estimando-se um tempo restante que a energia elétrica operacional pode ser fornecida ao elemento de aquecimento resistivo até a relação de fase determinada cruzar um limite de relação de fase predeterminado.

[0038] Uma modalidade adicional de qualquer um dos sistemas anteriores, em que o mecanismo de predição de vida restante pode calcular uma temperatura de elemento do elemento de aquecimento com base, pelo menos em parte, na energia elétrica operacional fornecida ao elemento de aquecimento resistivo.

[0039] Uma modalidade adicional de qualquer um dos sistemas anteriores pode incluir ainda um temporizador para marcar o tempo de operação do elemento de aquecimento de um tempo de operação inicial quando a energia elétrica operacional é inicialmente fornecida ao sensor de temperatura resistivo. O mecanismo de predição de vida restante pode calcular a temperatura de elemento com base, pelo menos em parte, no tempo de operação do elemento de aquecimento marcado.

[0040] Uma modalidade adicional de qualquer um dos sistemas anteriores, em que o mecanismo de predição de vida restante pode comparar a temperatura de elemento computada com um limite de temperatura predeterminado.

[0041] Uma modalidade adicional de qualquer um dos sistemas anteriores, em que o mecanismo de predição de vida restante pode estimar uma vida restante do elemento de aquecimento resistivo com base na relação de fase determinada quando a temperatura de elemento computada está dentro de uma faixa de temperatura delta do limite de temperatura predeterminado.

[0042] Uma modalidade adicional de qualquer um dos sistemas anteriores, em que o mecanismo de predição de vida restante pode estimar uma vida restante do elemento de aquecimento resistivo com base na relação de fase abaixo de uma diferença de fase de 45°.

[0043] Uma modalidade adicional de qualquer um dos sistemas anteriores, em que o sensor elétrico é um primeiro sensor elétrico. O sistema pode incluir adicionalmente um segundo sensor elétrico que detecta a corrente de vazamento.

[0044] Uma modalidade adicional de qualquer um dos sistemas anteriores, em que o segundo sensor elétrico pode detectar a corrente de vazamento entre o elemento de aquecimento resistivo e um envoltório condutor que cerca o elemento de aquecimento elétrico.

[0045] Uma modalidade adicional de qualquer um dos sistemas anteriores, em que a corrente de vazamento pode ser detectada quando a temperatura de elemento computada cruza ou está dentro de uma faixa de temperatura delta do limite de temperatura predeterminado registrada em um registro de corrente de vazamento.

[0046] Uma modalidade adicional de qualquer um dos sistemas anteriores, em que o mecanismo de predição de vida restante pode estimar a vida restante do elemento de aquecimento resistivo com base em uma curva de projeção do registro de corrente de vazamento.

[0047] Uma modalidade adicional de qualquer um dos sistemas anteriores, em que o mecanismo de predição de vida restante pode estimar a vida restante como sendo o tempo restante que a energia elétrica operacional pode ser fornecida ao elemento de aquecimento resistivo em que a curva de projeção cruzará um limite de vazamento.

[0048] Algumas modalidades se referem a um método para prever a falha de um elemento de aquecimento resistivo de uma sonda de dados do ar. O método inclui fornecer, através de uma fonte de energia elétrica, energia elétrica operacional ao elemento de aquecimento resistivo. O método inclui detectar, através de um sensor elétrico, a tensão e/ou corrente da energia elétrica operacional fornecida ao elemento de aquecimento resistivo. O método inclui determinar, através de um comparador de sinal, uma relação de fase de uma corrente de vazamento em relação à tensão e/ou corrente da energia elétrica operacional fornecida ao elemento de aquecimento resistivo. O método também inclui estimar, através de um mecanismo de predição de vida restante, uma vida restante do elemento de aquecimento resistivo com base na relação de fase determinada.

[0049] O método do parágrafo anterior pode incluir, de modo opcional, adicional e/ou alternativo, qualquer um ou mais dentre os seguintes recursos, configurações e/ou componentes adicionais:

[0050] Uma modalidade adicional do método anterior, em que estimar a vida útil do elemento de aquecimento resistivo pode incluir estimar um tempo restante que a energia elétrica operacional pode ser fornecida ao elemento de aquecimento resistivo até a relação de fase determinada cruzar um limite de relação de fase predeterminado.

[0051] Uma modalidade adicional de qualquer um dos métodos anteriores pode incluir ainda calcular, através do mecanismo de predição de vida restante, uma temperatura de elemento do elemento de aquecimento com base, pelo menos em parte, na energia elétrica operacional fornecida ao elemento de aquecimento resistivo.

[0052] Uma modalidade adicional de qualquer um dos métodos anteriores pode incluir ainda marcar, através de um temporizador, o tempo de operação do elemento de aquecimento de um tempo operacional inicial quando a energia elétrica operacional é inicialmente fornecida ao sensor de temperatura resistivo. O mecanismo de predição de vida restante pode calcular a temperatura de elemento com base, pelo menos em parte, no tempo de operação do elemento de aquecimento marcado.

[0053] Uma modalidade adicional de qualquer um dos métodos anteriores pode incluir ainda comparar, através do mecanismo de predição de vida restante, a temperatura de elemento computada com um limite de temperatura predeterminado.

[0054] Uma modalidade adicional de qualquer um dos métodos anteriores, em que estimar a vida restante do elemento de aquecimento resistivo inclui estimar uma vida restante do elemento de aquecimento resistivo com base na relação de fase determinada quando a temperatura de elemento computada está dentro de uma faixa de temperatura delta do limite de temperatura predeterminado.

[0055] Uma modalidade adicional de qualquer um dos métodos anteriores, em que o sensor elétrico é um primeiro sensor elétrico, em que o método inclui adicionalmente detectar, através de um segundo sensor elétrico, a corrente de vazamento entre o elemento de aquecimento resistivo e uma bainha condutora que circunda o elemento de aquecimento elétrico.

[0056] Uma modalidade adicional de qualquer um dos métodos anteriores pode incluir ainda registrar, em um registro de corrente de vazamento, a corrente de vazamento detectada quando a temperatura de elemento computada cruza ou está dentro de uma faixa de temperatura delta do limite de temperatura predeterminado.

[0057] Embora a invenção tenha sido descrita com referência a uma modalidade exemplificativa (ou modalidades exemplificativas), será entendido por aqueles versados na técnica que várias mudanças podem ser feitas e equivalentes podem substituídos por elementos da mesma, sem se afastar do escopo da invenção. Além disso, muitas modificações podem ser feitas para adaptar uma situação ou material particular aos ensinamentos da invenção sem se afastar do escopo essencial da mesma. Portanto, pretende-se que a invenção não esteja limitada à modalidade particular (ou modalidades particulares) divulgada, mas que a invenção inclua todas as modalidades abrangidas pelo escopo das reivindicações anexas.

Claims

Sistema para prever falha e/ou estimar vida útil restante de um elemento de aquecimento resistivo de uma sonda de dados do ar, sendo que o sistema é caracterizado pelo fato de que compreende:
uma fonte de energia elétrica que fornece energia elétrica operacional de CA ao elemento de aquecimento resistivo;
um sensor elétrico que detecta a tensão de CA e/ou corrente de CA da energia elétrica operacional de CA fornecida ao elemento de aquecimento resistivo;
um comparador de sinal que determina uma relação de fase de uma corrente de vazamento de CA em relação à tensão de CA e/ou corrente CA da energia elétrica operacional de CA fornecida ao elemento de aquecimento resistivo; e
um mecanismo de predição de vida restante que estima uma vida restante do elemento de aquecimento resistivo com base na relação de fase determinada.
Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o mecanismo de predição de vida restante estima a vida restante do elemento de aquecimento resistivo estimando-se um tempo restante que a energia elétrica operacional de CA pode ser fornecida ao elemento de aquecimento resistivo até que a relação de fase determinada cruzará um limite de relação de fase predeterminado.
Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o mecanismo de predição de vida restante calcula uma temperatura de elemento do elemento de aquecimento com base, pelo menos em parte, na energia elétrica operacional de CA fornecida ao elemento de aquecimento resistivo.
Sistema de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que compreende ainda:
um temporizador para marcar o tempo de operação do elemento de aquecimento de um tempo de operação inicial de CA quando a energia elétrica operacional é inicialmente fornecida ao sensor de temperatura resistivo,
em que o mecanismo de predição de tempo restante computa a temperatura de elemento com base, pelo menos em parte, no tempo de operação do elemento de aquecimento marcado.
Sistema de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o mecanismo de predição de vida restante compara a temperatura de elemento computada com um limite de temperatura predeterminado.
Sistema de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o mecanismo de predição de vida restante estima uma vida restante do elemento de aquecimento resistivo com base na relação de fase determinada quando a temperatura de elemento computada está dentro de uma faixa de temperatura delta do limite de temperatura predeterminado.
Sistema de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o mecanismo de predição de vida restante estima uma vida restante do elemento de aquecimento resistivo com base na relação de fase abaixo de uma diferença de fase de 45°.
Sistema de acordo com a reivindicação 5, em que o sensor elétrico é um primeiro sensor elétrico, sendo que o sistema é caracterizado pelo fato de que compreende ainda:
um segundo sensor elétrico que detecta a corrente de vazamento de CA.
Sistema de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o segundo sensor elétrico detecta a corrente de vazamento de CA entre o elemento de aquecimento resistivo e um envoltório condutor que circunda o elemento de aquecimento elétrico.
Sistema de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a corrente de vazamento de CA é detectada quando a temperatura de elemento computada cruza ou está dentro de uma faixa de temperatura delta do limite de temperatura predeterminado, e a corrente de vazamento CA detectada é registrada em um registro de corrente de vazamento.
Sistema de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o mecanismo de predição de vida útil estima a vida restante do elemento de aquecimento resistivo com base em uma curva de projeção do registro de corrente de vazamento.
Sistema de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o mecanismo de predição de vida restante estima a vida restante como sendo o tempo restante que a energia elétrica operacional de CA pode ser fornecida ao elemento de aquecimento resistivo em que a curva de projeção cruzará um limite de vazamento.
Método para prever falha de um elemento de aquecimento resistivo de uma sonda de dados do ar, sendo que o método é, caracterizado pelo fato de que compreende:
fornecer, através de uma fonte de energia elétrica de CA, energia elétrica operacional ao elemento de aquecimento resistivo;
detectar, através de um sensor elétrico de CA, a tensão de CA e/ou corrente da energia elétrica operacional de CA fornecida ao elemento de aquecimento resistivo;
determinar, através de um comparador de sinal, uma relação de fase de uma corrente de vazamento de CA em relação à tensão de CA e/ou corrente de CA da energia elétrica operacional de CA fornecida ao elemento de aquecimento resistivo; e
estimar, através de um mecanismo de predição de vida restante, uma vida restante do elemento de aquecimento resistivo com base na relação de fase determinada.
Método de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que estimar a vida restante do elemento de aquecimento resistivo compreende:
estimar um tempo restante que a energia elétrica operacional de CA pode ser fornecida ao elemento de aquecimento resistivo até que a relação de fase determinada cruzará um limite de relação de fase predeterminado.
Método de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que compreende ainda:
computar, através do mecanismo de predição de vida restante, uma temperatura de elemento do elemento de aquecimento com base, pelo menos em parte, na energia elétrica operacional de CA fornecida ao elemento de aquecimento resistivo.
Método de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que compreende ainda:
marcar, através de um temporizador, o tempo de operação do elemento de aquecimento de um tempo operacional inicial quando a energia elétrica operacional de CA é inicialmente fornecida ao sensor de temperatura resistivo,
em que o mecanismo de predição de vida restante computa a temperatura de elemento com base, pelo menos em parte, no tempo de operação do elemento de aquecimento marcado.
Método de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que compreende ainda:
comparar, através do mecanismo de predição de vida restante, a temperatura de elemento computada com um limite de temperatura predeterminado.
Método de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que estimar a vida restante do elemento de aquecimento resistivo compreende:
estimar uma vida restante do elemento de aquecimento resistivo com base na relação de fase determinada quando a temperatura de elemento computada está dentro de uma faixa de temperatura delta do limite de temperatura predeterminado.
Método de acordo com a reivindicação 17, em que o sensor elétrico é um primeiro sensor elétrico, sendo que o método é caracterizado pelo fato de que compreende ainda:
detectar, através de um segundo sensor elétrico, a corrente de vazamento de CA entre o elemento de aquecimento resistivo e um envoltório condutor que circunda o elemento de aquecimento elétrico.
Método de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que compreende ainda:
registrar, em um registro de corrente de vazamento, a corrente de vazamento de CA detectada quando a temperatura de elemento computada cruza ou está dentro de uma faixa de temperatura delta do limite de temperatura predeterminado.