BR112013019244B1 - sistema de transferência de dados não penetrante - Google Patents

Abstract

ARRANJO DE MONTAGEM, E, MÉTODO DE MONTAGEM DE UM ELEMENTO ATIVO EM UM SUBSTRATO RÍGIDO Em um arranjo para transmissão de energia ou dados através um substrato rígido sólido sem penetrar no substrato, componentes de transdutor acústico são montados no substrato por meio de elementos isolantes de deformação que são soldados ou de forma ligados no substrato e provendo uma superfície de anexação na qual a interface de anexação do transdutor acústico pode ser anexada. O elemento isolante de deformação é de impedância acústica igual ou similar à do substrato rígido e pode certamente ser formado do mesmo material. Várias geometrias de isolante de deformação são reveladas, incluindo uma compreendendo um caule anexado no substrato rígido sólido e encimado por um disco em uma configuração tipo cogumelo.

Description

[001] Esta invenção diz respeito a arranjos e métodos de montagem para montar um elemento em um substrato rígido que, em uso, é sujeito a alta deformação.

[002] Em particular, mas não exclusivamente, esta invenção está voltada para a montagem de um componente de transdutor acústico em uma barreira para realizar Transferência de Dados Não Penetrante (NPDT) através de uma barreira que em uso é sujeita a alta deformação. Nesta especificação, a expressão alta deformação é usada significando deformações além de 0,5 x 10-3. A invenção, entretanto, também é aplicável a outras situações onde um elemento (tal como um sensor) é montado em um substrato sujeito a alta deformação e que precisa ser protegido de alta deformação, para impedir dano tanto no próprio elemento quanto em uma superfície de fixação como uma camada adesiva, entre o elemento e o substrato. Tais elementos incluem sensores tais como, por exemplo, termopares.

[003] NPDT é uma tecnologia que permite a transmissão de dados e energia através de barreiras sólidas usando ondas acústicas ultrassônicas. NPDT pode reduzir ou eliminar as penetrações tradicionais exigidas para conexões por fio através de barreias protetoras. Isto é altamente atrativo quando a integridade estrutural da barreira, ou sua integridade hermética, é de capital importância, por exemplo, em submarinos, na indústria nuclear e na indústria química. A redução do número total de penetrações em tais barreiras pode aumentar a segurança, ainda reduzindo os custos de instalação, e custos de vida útil. Esta tecnologia pode também permitir a adaptação de novas capacidades do sensor a plataformas existentes de forma a atender as exigências emergentes sem comprometer o desempenho de barreira. Para exemplos de tais métodos, a referência é voltada para nossa publicação de patente anterior EP2122868 e pedidos copendentes PCT/GB2010051469 e PCT/GB2010051470, cujos conteúdos estão aqui incorporados pela referência.

[004] Em aplicações particulares, dados são transmitidos através de uma barreira sólida usando sinais acústicos de alta frequência, tipicamente, mas não exclusivamente, na faixa de frequência de -3 MHz a -55 MHz. Transdutores piezoelétricos ligados em superfícies opostas de uma barreira sólida por uma camada adesiva muito fina enviam e recebem esses sinais ultrassônicos. O feixe ultrassônico lançado por cada transdutor é altamente direcional e permanecerá colimado em espessuras de barreira típicas provavelmente até ser encontrado no mundo real. Taxas de transmissão de dados digitais de >150 MBs são viáveis através de uma única ligação de canal acústico, e transferência de energia separadamente de até - 100 watts tem sido demonstrada com sucesso. Embora tenhamos usado adesivos em nosso trabalho atual (como anteriormente referenciado) para ligar o transdutor no substrato, ou na placa de suporte, materiais poderiam ser usados desde que não trincassem os transdutores por causa do choque térmico durante o processo de união usando, por exemplo, uma solda de baixa temperatura ou outros materiais de união.

[005] Nos projetos existentes, os transdutores piezoelétricos das ligações NPDT precisam ser ligados tanto diretamente na barreira quanto, alternativamente, em uma placa de suporte fina que, por sua vez, é ligada ou montada na barreia. Em aplicações navais, a barreira pode, por exemplo, ser feita de aço naval de alta resistência. Embora montagem direta do elemento transdutor no substrato seja possível, para transdutores de dados de ampla largura de banda de frequência existem benefícios significantes obtidos pela montagem do transdutor em uma placa intermediária e, em casos específicos, uma placa de seção de cunha. A espessura média diretamente abaixo do elemento transdutor piezoelétrico ativo de tais placas é tipicamente 3 mm ou algo parecido. Onde, como é usual, uma camada de união/acoplamento não flexível é usada, entende-se que esta placa deve ser feita mais fina possível para minimizar as forças de cisalhamento na união na barreira em resposta a contração por causa da rigidez mecânicas da placa.

[006] Em NPDT, boa transferência de dados ou energia pode ser conseguida usando bom acoplamento acústico entre o transdutor, o substrato e o outro transdutor. Transdutores acústicos de alta frequência podem ser acusticamente casados com o substrato a fim de acoplar eficientemente a energia acústica que chega e que sai do substrato pela redução de reflexões acústicas na interface do transdutor e do substrato.

[007] Casamento acústico é determinado em parte pela razão das impedâncias acústicas dos respectivos materiais que são ligados entre si. A impedância acústica Za de um material é igual ao produto de sua densidade p e velocidade acústica Va. A refletividade acústica Rinterface de uma interface de dois materiais de impedância acústica Z1 e Z2 é dada pela fórmula

[008] A refletividade acústica de uma interface hipotética entre um transdutor de niobato de lítio corta 36 o Y de impedância acústica 34.4 MRayls (1 MRayl = 1 x 106 kg m-2 s-1) e um substrato de aço naval de impedância acústica 46,3 MRayls seria ~ 2,2 %, que é muito baixa e, portanto, esses materiais seriam considerados acusticamente bem casados.

[009] No entanto, a refletividade acústica Rbond de um par de interfaces formado por uma camada de união acústica entre dois materiais é dada pela fórmula:

[0010] Onde a impedância acústica Zbond que surge da espessura finita L da camada de união, válida para dois níveis de atenuação acústica dentro da camada de união, é dada por:

[0011] Aqui, Z1 e Z3 são impedâncias acústicas para as camadas 1 e 3 em ambos os lados da linha de união, e Z2 é a impedância acústica da camada de união de espessura L, enquanto k2 é o vetor acústico k dado por 2π / A para o som de comprimento de onda A no lado do material de união.

[0012] Para o caso específico de um transdutor de niobato de lítio de corte Y 36 o ligado a um substrato de aço, observou-se que a resposta da largura de banda de frequência do transdutor fica severamente comprometida, uma vez que a refletividade da interface de união transdutor-substrato excede 25 % a - 30 %.

[0013] União adesiva é normalmente usada para materiais tais como aço ou vidro. Entretanto, os materiais adesivos são no geral fracamente casados com o material do transdutor ou substrato, por exemplo, o adesivo EP30 suprido pela MasterBond tem uma impedância acústica de apenas 1,97 MRayls, que é um fator de 23 menor que do aço naval. Isto pode resultar em um desempenho da largura de banda fracional muito estreita Δfc, onde Δf é uma largura de banda de frequência para transdução acústica eficiente, e fc é a frequência central de operação para o transdutor. Isto é normalmente superado usando uma união muito fina abaixo de 1/100 vezes o comprimento de onda na espessura e assim, por exemplo, para um transdutor de frequência central 40 MHz, isto seria cerca de 0,5 μm. Se este critério de espessura for atendido, então larguras de banda fracionais maiores que -30 % a - 50 % tornam-se possíveis, dependendo da combinação do transdutor e desenho do substrato específica. Mas, em aplicações onde deformações muito altas são observadas pelo transdutor, tal como em partes anexadas a um casco de submarino submerso, quando ele mergulha profundamente, ou em tubos de óleo de alta pressão, a deformação compressiva (ou deformação sob tração em tubos de óleo de alta pressão) pode levar a delaminação ou danos ou falha de união no transdutor, dessa forma prejudicando ou impedindo transferência de dados.

[0014] Considerações de projeto atualmente aceitas, portanto sugerem que a espessura de qualquer placa de suporte deve ser tão fina quanto possível para reduzir tensão de cisalhamento em qualquer camada de união adesiva na barreira, e similarmente qualquer tal camada adesiva deve ser mais fina possível de forma que reflexões de energia acústica na interface da barreira sejam minimizadas. Nossos estudos, entretanto, mostraram que os problemas de delaminação podem ser significativamente reduzidos anexando, por exemplo, por solda, um elemento relativamente fino entre o transdutor e a barreira. Isto reduz a deformação na interface de união crítica do transdutor no seu elemento espesso, ou, no caso de um transdutor montado em uma chapa portadora, as interfaces de união críticas entre o transdutor e o suporte e o suporte e o elemento espesso.

[0015] Dessa maneira, projetamos um arranjo de montagem para prender um elemento em um substrato que reduz a deformação em uma interface de fixação do elemento e do substrato de maneira a abordar pelo menos parte dos problemas suprarreferidos.

[0016] Dessa forma, em um aspecto, é provido um arranjo de montagem para montar um transdutor acústico em uma superfície de um substrato rígido sólido que em uso é submetido a deformações acima de 5 x 10-3, o arranjo compreendendo um elemento isolante de deformação com uma primeira superfície anexada no dito substrato e uma segunda superfície anexada a uma interface de anexação do dito elemento ativo, por meio do que, quando o dito substrato é submetido a alta tensão compressiva em uso, a deformação na dita segunda superfície é menor que na dita primeira superfície, em que o dito elemento isolante de deformação compreende uma porção de haste relativamente estreita para anexação na dita primeira superfície no substrato rígido sólido e com uma porção da cabeça alargada anexada na dita segunda superfície do dito transdutor.

[0017] O transdutor acústico é no geral anexado na superfície com pelo menos um propósito de transferência, monitoramento, controle, modulação, etc. de energia e/ou dados.

[0018] A expressão “componente transdutor” é usada aqui para referir-se a um componente do transdutor funcional que foi anexado no casco ou barreira, por exemplo, por adesivo. Este pode incluir apenas um elemento do transdutor ligado em um plano da terra, com o plano da terra constituindo a interface de anexação pela qual o componente do transdutor na barreira ou casco, como apresentado em EP2122868, por exemplo, por uma união adesiva. Alternativamente, ele pode também incluir uma placa de suporte ou elemento intermediário no qual o transdutor é montado antes da anexação do componente do transdutor por meio disto formado na barreira ou casco, como anteriormente descrito. No primeiro caso, a interface de anexação do componente do transdutor acústico aqui referida é a superfície do plano da terra remota do elemento transdutor. No segundo caso, a interface de anexação do componente do transdutor é a superfície da chapa de suporte ou elemento intermediário que fica remota do elemento do transdutor.

[0019] Em particular, quando o dito substrato é submetido a deformação por compressão de 1 x 10-3, o dito elemento isolante de deformação pode reduzir a dita deformação em um fator de pelo menos 3, ou em um fator de pelo menos 20, e/ou um fator de pelo menos 40.

[0020] O dito elemento isolante de deformação pode ser acusticamente casado com o substrato de maneira tal que reflexões na interface do substrato e do elemento isolante de deformação definidas pela equação 1 anterior sejam menos que 50 % para uma exigência de transmissão de dados quando é usada uma geometria de montagem do transdutor do suporte em cunha, e menos que ~ 10 % para uma exigência de transmissão de energia.

[0021] Convenientemente, uma ou mais montagens flexurais podem ser dispostas entre a periferia da cabeça alargada e o dito substrato para reduzir movimento de flexão da periferia da dita cabeça nas direções a favor e/ou contra o dito substrato.

[0022] O dito elemento isolante de deformação pode ser anexado no dito substrato sólido rígido por qualquer dispositivo adequado capaz de suportar altos níveis de deformação cíclica, por exemplo, por uma de soldagem, soldagem por agitação com atrito, solda forte e união por difusão, e que é substancialmente isento de vazios ou defeitos, e preferivelmente com pelo menos 90 % da área de união sendo isenta de defeitos ou vazios.

[0023] Convenientemente, o dito elemento isolante de deformação pode ser formado de um único material, tal como metal, que pode ser, por exemplo, o mesmo material do substrato, em uma outra aplicação, ele pode ser formado de dois elementos de diferentes materiais.

[0024] Em algumas modalidades, o dito elemento isolante de deformação tem entre 10 mm e 20 mm de espessura para um elemento de diâmetro ~ 50 mm.

[0025] Em outro aspecto, esta invenção fornece um método de montagem de um elemento ativo em um substrato rígido sólido, sujeito em uso a deformações compressivas além de 0,5 x 10-3, cujo método compreende a etapa de dispor entre uma interface de anexação do dito elemento ativo e do dito substrato rígido sólido um elemento isolante de deformação, o elemento isolante de deformação sendo ligado no dito substrato rígido substancialmente por toda a área de contato, para dessa maneira fazer com que a deformação em uma interface de anexação com o transdutor acústico seja menos que a observada pelo dito substrato rígido sólido quando submetido a deformação compressiva.

[0026] Embora a invenção tenha sido aqui descrita, ela estende-se a qualquer combinação ou subcombinação inventiva de recursos inéditos aqui revelados ou na descrição seguinte ou desenhos.

[0027] Várias modalidades da invenção serão agora descritas apenas a título de exemplo, sendo feita referência aos desenhos anexos, em que: A figura 1 mostra um arranjo previamente proposto de transdutores para transmitir energia acústica através de uma barreia interposta; A figura 2 é uma vista esquemática mostrando um arranjo de montagem de transdutor; A figura 3 é uma vista de uma modalidade de arranjo de montagem de transdutor de acordo com esta invenção; e As figuras 4(a) e (b) são vistas em seção e plana, respectivamente, de uma segunda modalidade de arranjo de montagem de transdutor de acordo com esta invenção.

[0028] Referindo-se à figura 1, é de conhecimento montar um par de transdutores 10 e 20 em lados opostos de uma barreia por meio de camadas de união adesiva de epóxi 15 e 25, respectivamente. Este arranjo fornece um caminho acústico de um transdutor para o outro através de material de união 15, 25 e a barreira de maneira tal que energia acústica possa propagar ao longo do caminho A, como mostrado. Em muitas aplicações, deformação induzida na barreira, como anteriormente explicado, pode causar tensões de cisalhamento substanciais nas camadas de união 15, 25. Isto pode levar a delaminação na superfície da barreira 30. Como anteriormente discutido, as camadas 15, 25 precisam ser mais finas possível para garantir boa transmissão acústica.

[0029] A figura 2 mostra uma modalidade para montar os transdutores 10 e 20 em qualquer lado da barreira em bom contato acústico, mas montado de maneira a reduzir a deformação observada na união do transdutor e dessa forma reduzir ou evitar a possibilidade de deformação. Neta modalidade, cada transdutor é montado em um elemento isolante de deformação 12, 22 por meio, por exemplo, de uma camada de união adesiva fina 15, 25, respectivamente, de cerca de 0,5 μm de espessura para um transdutor com uma frequência central de operação de ~ 40 MHz. Os elementos isolantes de deformação 12 e 22 são formados de discos de material de impedância acústica substancialmente igual à do material da barreira, de maneira a prover bom acoplamento acústico. Nesta modalidade, os discos 12 e 22 são anexados ao material de barreira 30 por uma união superfície-a-superfície homogênea íntima substancialmente em toda a interface, sem defeitos ou vazios significantes. Nesta modalidade, isto é feito soldando os discos na barreira, embora qualquer outro método de anexação adequado possa ser usado, que seja capaz de anexar seguramente o elemento isolante de deformação na barreira, ainda suportando as deformações operacionais e permitindo boa transferência acústica. Em certas aplicações, o material de barreira pode, por exemplo, ser um aço naval de alta resistência e o material igual ou similar poderia ser usado para formar os discos 12 e 22. Outras formas de anexação para prover união íntima exigida incluem agitação por atrito, soldagem, soldagem forte, união ou solda forte por difusão.

[0030] Em um exemplo particular, os elementos isolantes de deformação 12 e 22 têm cerca de 10 mm de espessura e 50 mm de diâmetro. O transdutor é então anexado na superfície do isolante de deformação remoto da barreira. Em outro exemplo, os elementos isolantes de deformação têm 20 mm de espessura e 50 mm de diâmetro.

[0031] Conduzimos análise de deformação em dois exemplos, a saber, um disco de 50 mm de diâmetro e 10 mm de espessura e um disco do mesmo diâmetro, mas com o dobro da espessura (20 mm) anexado na barreira por solda. Uma deformação por compressão isotrópica de 1 x 10-3 na barreira produz uma deformação mecânica na superfície de montagem do elemento isolante de deformação remota da barreira resultante no centro da superfície exposta dos discos em uma deformação de 3 x 10-4 para o disco de 10 mm e 4,6 x 10-5 para o disco de 20 mm. Esses valores de deformação são, até primeira ordem, independentes da espessura da barreira 30. Isto indica que os discos de 10 mm e 20 mm reduzem a deformação em fatores de 3 e 21, respectivamente.

[0032] Na figura 3, os transdutores 10 e 20 são montados em elementos isolantes de deformação em forma de cogumelo constituídos de um caule cilíndrico 18, 28 preso na barreira 30 e encimados por discos 14, 24, respectivamente. Como na modalidade anterior, os caules são presos no material de barreira usando uma união homogênea íntima estendendo-se através de substratos por toda a interface sem vazios ou defeitos significantes. Duas amostras foram analisadas, o primeiro exemplo com um caule de 10 mm de diâmetro e espessura 15 mm encimado por um disco de 50 mm de diâmetro e espessura 5 mm e o segundo exemplo sendo constituído de um caule de 10 mm de diâmetro e 10 de espessura encimado por um disco de 50 mm de diâmetro e 10 mm de espessura. As propriedades de alívio de deformação foram analisadas com base na aplicação de uma deformação isotrópica de 1 x 10-3 na barreira e uma redução de deformação resultante e razões são dadas na tabela seguinte. Novamente, esses valores de deformação são independentes da primeira ordem da espessura da barreira. Os valores de deformação dados na tabela correspondem àqueles diretamente acima do “caule” da estrutura.

[0033] Como visto, melhorias de reduções de deformação de razões 47 e - 1.500, respectivamente, são possíveis com a geometria mostrada na figura 3 e as dimensões anteriormente mencionadas. A redução na deformação com a geometria mostrada na figura 3 ocorre em virtude de a periferia dos discos 14 e 24 tendem a resistir à transmissão de deformação compressiva nas suas superfícies remotas da barreira por causa das forças de tensão induzidas no centro do disco pelos caminhos externos do disco.

[0034] O arranjo mostrado na figura 3 pode ser instável em certas aplicações quando sujeito a altos níveis de choque. Para tais aplicações, um arranjo modificado pode ser usado, como mostrado na figura 4(a) e (b). O arranjo da figura 4 inclui um arranjo de articulações cinemáticas para melhorar o suporte estrutural das bordas do disco de outra forma não suportadas, mas também desacopla o disco de deformação compressiva nos pontos de apoio. Neste arranjo, o isolante de deformação 16 e 26 são de forma geral de cogumelo, como antes, mas incluem inúmeras articulações cinemáticas espaçadas 19 e 29 em torno da periferia do disco que liga a folga entre o disco e o anel anular envolvente 40 que é soldado na barreira. O anel anular 40 poderia ser anexado na barreira por qualquer técnica de união adequada, tal como soldagem. Outras maneiras de conseguir efeito similar podem ser usadas, por exemplo, um arranjo apropriado de hastes finas.

[0035] Embora nas modalidades o mesmo tipo de montagem seja usado em ambos os lados da barreia, percebe-se que as montagens podem ser adequadamente modificadas de acordo com as condições prevalecentes em cada lado. Nesta especificação, o termo “transdutor” deve englobar transdutores montados nas chapas de suporte, bem como transdutores anexados diretamente nas superfícies descritas. As dimensões dadas são apenas a título de exemplo e dizem respeito ao tamanho de transdutor típico usado em muitas aplicações (cerca de 7 mm x 7 mm). Certamente, percebe-se que as dimensões, forma e montagem dos elementos isolantes de deformação podem ser modificadas da maneira exigida para uma aplicação particular.

[0036] Nos arranjos tipo cogumelo das figuras 3 e 4, o caule poderia ser formado de um material diferente, por exemplo, um material mais fraco, ou seja, um material com um módulo de Young substancialmente menor, por exemplo, o caule central poderia ser feito de cobre, que é acusticamente quase um casamento perfeito com o aço e tem um módulo de Young que é aproximadamente a metade do aço naval de alta resistência. O cobre poderia ser anexado no disco de aço por união por difusão.

[0037] Como uma alternativa aos arranjos tipo “cogumelo” das figuras 3 e 4, outras formas de elemento isolante cônico ou escalonado são contempladas pela presente invenção. Por exemplo, o elemento isolante de deformação pode ter a forma de um tronco ou de uma cúpula, desde que uma extremidade tenha menor largura (para formar a haste) que a outra (para formar a cabeça).

[0038] Em particular, o elemento pode ter a forma de um tronco de cone, onde a superfície circular na extremidade de menor diâmetro (isto é, a haste) do elemento é para unir no substrato e a superfície maior na extremidade oposta (isto é, a cabeça) é para unir na interface de anexação.

[0039] Onde o arranjo tipo “cogumelo” compreende uma forma escalonada, as quinas internas podem ser chanfradas ou filetadas.

Claims (8)

1. Sistema de transferência de dados não penetrante, caracterizadopelo fato de que compreende um substrato rígido sólido (30) através do qual é para ser passada transferência de dados não penetrante, que em uso é sujeita a alta deformações além de 0,5 x 10-3, compreendendo dois arranjos de montagem de transferência de dados não penetrante, sendo arranjados em superfícies opostas do substrato rígido sólido, em que cada um dos arranjos compreende um transdutor acústico (10, 20), um elemento isolante de deformação (12, 22) com uma primeira superfície anexada no substrato e uma segunda superfície anexada em uma interface de anexação do transdutor acústico, por meio do que, quando o substrato é submetido a alta deformação compressiva em uso, a deformação da segunda superfície é menor que a da primeira superfície; em que o elemento isolante de deformação compreende uma porção de haste (18, 28) relativamente estreita para anexação na primeira superfície no substrato rígido sólido e com uma porção da cabeça alargada (14, 24) anexada na segunda superfície no transdutor acústico.

2. Sistema de transferência de dados não penetrante, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que a primeira superfície fica em contato íntimo com o substrato por toda a primeira superfície.

3. Sistema de transferência de dados não penetrante, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizadopelo fato de que inclui uma montagem de flexural disposta entre a periferia da cabeça alargada e o substrato para reduzir movimento de flexão da periferia da cabeça.

4. Sistema de transferência de dados não penetrante, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizadopelo fato de que o elemento isolante de deformação é anexado no substrato sólido rígido por um de soldagem, brasagem, soldagem forte, união por difusão e soldagem por agitação com atrito.

5. Sistema de transferência de dados não penetrante, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizadopelo fato de que o elemento isolante de deformação é formado de um único material.

6. Sistema de transferência de dados não penetrante, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizadopelo fato de que o elemento isolante de deformação é formado de dois elementos de diferentes materiais.

7. Sistema de transferência de dados não penetrante, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizadopelo fato de que a espessura do elemento isolante de deformação em uma direção normal à interface é entre 5 mm e 30 mm.

8. Sistema de transferência de dados não penetrante, de acordo com a reivindicação 7, caracterizadopelo fato de que a espessura é entre 10 mm e 20 mm.

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