BR112021000752A2 - Sistema de monitoramento de torre - Google Patents

Abstract

sistema de monitoramento de torre. um sistema de monitoramento de torre para monitorar uma torre remota para avaliação e análise estruturais. o sistema de monitoramento de torre inclui uma unidade de sensoriamento que toma leituras de dados de torre que incluem leituras de deslocamento. a unidade de sensoriamento fornece as leituras de dados de torre para uma unidade de controle terrestre próxima à torre. um servidor remoto está em comunicação com a unidade de controle terrestre e inclui uma fonte secundária de dados, como dados históricos da torre, dados atuais ou dados históricos de torres próximas, e dados geológicos e meteorológicos próximos. o sistema de monitoramento implementa uma análise modal para determinar contribuições para as leituras de deslocamento e alerta um operador se as leituras modais indicarem tensão estrutural além de um limite predeterminado. os dados são salvos e podem ser usados em uma análise de tendência para analisar quaisquer alterações nas leituras de deslocamento de torre por um período de tempo.

Description

SISTEMA DE MONITORAMENTO DE TORRE REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDO RELACIONADO

[001] Este Pedido de Patente reivindica o benefício do e a prioridade para o Pedido de Patente Provisório nº de Série U.S. 62/699.951 depositado em 18 de julho de 2018 e Pedido de Patente de Modelo de Utilidade nº de Série U.S. 16/515.264, depositado em 18 de julho de 2019, cuja divulgação integral dos mesmos são incorporadas pela presente invenção a título de referência.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

1. Campo da Invenção

[002] A presente invenção se refere, em geral, a sistemas para monitorar torres e mais particularmente sistemas para fornecer dados para avaliação e análise estruturais.

2. Técnica Relacionada

[003] As torres são empregadas para uma pluralidade de aplicações. Por exemplo, as torres são empregadas para transmitir recursos como energia, óleo, água, etc. ou informações de uma primeira localização para outra. As informações que são propagadas de um primeiro ponto para um segundo ponto podem ser relacionadas à rede, relacionadas à energia, relacionadas a comunicações ou similares. Em um outro contexto, uma torre pode ser situada para coletar informações sobre uma localização, como clima ou outras informações ambientais. As torres podem estar situadas para sustentar equipamentos, como turbinas eólicas ou similares ou para sustentar condutores que transmitem eletricidade. As torres podem servir como uma chaminé ou outras funções similares em estações de geração de potência, fábricas ou similares. As torres neste pedido podem ser, mas não são limitadas a, torres treliçadas, mastros estaiados e estruturas de poste.

[004] Uma torre pode ser situada em diversos contextos, ambientes e locais. Assim, a torre pode ser afetada por vários fenômenos externos, como desastres naturais, fatores ambientais, contato físico, oscilações de vento potencialmente destrutivas que levam a falhas por fadiga e desgaste e laceração normais. Assim, conforme uma torre interage com os vários fenômenos externos, a eficácia da torre pode ser comprometida. Em certas situações, se uma torre estiver desalinhada, a capacidade da torre de ser host ou fornecer um serviço pode ser diminuída ou efetivamente cancelada.

[005] As técnicas convencionais para lidar com as situações conforme descrito acima requerem o engajamento de um especialista para inspecionar frequentemente cada torre ou consertar uma torre após a torre ter se tornado inoperável. No caso anterior, o engajamento de um especialista pode ser dispendioso, ineficaz e uma solução não robusta. Adicionalmente, certas torres podem estar em áreas que são geograficamente remotas e, assim, não muito fáceis de chegar.

[006] Adicionalmente, no último caso, se as torres forem consertadas após um problema ser detectado, pode-se experimentar um tempo de inatividade considerável. Devido ao fato de a torre estar comprometida (e, em alguns casos, além do reparo), o sistema associado à torre pode se tornar inoperável até que a torre seja reparada ou substituída.

[007] As técnicas convencionais para monitoramento de saúde estrutural para detectar deformações são direcionadas à detecção rotacional ou de inclinação usando sensores de inclinação que não são confiáveis em estruturas flexíveis, como uma torre, como um resultado de aceleração durante deslocamento que corrompe as medições do sensor. Problemas graves de saúde estrutural podem ser perdidos sem detectar deslocamentos de torre assim como rotações, e, assim, esses problemas podem ser deixados sem solução em detecção, monitoramento e reparo de problemas que afetam as implementações de torre.

[008] Desse modo, técnicas convencionais para abordar problemas relacionados à torre associados à integridade estrutural e ao desempenho são ausentes pelo menos pelas razões estabelecidas acima.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[009] Em um aspecto da presente invenção, é fornecido um sistema de monitoramento de torre. O sistema de monitoramento de torre compreende uma unidade de sensoriamento para fixação a uma torre. A unidade de sensoriamento inclui pelo menos um sensor de deslocamento para obter referência de leituras de deslocamento para os eixos principais da estrutura. O sistema fornece adicionalmente um servidor remoto em comunicação com a unidade de sensoriamento para receber e salvar as leituras de deslocamento. Um processador é configurado para revisar as leituras de deslocamento e desempenhar uma análise modal que separa o deslocamento médio do deslocamentos devido a cada modo dominante de oscilação da torre.

[010] De acordo com um outro aspecto da invenção, o processador faz correlações com fatores ambientais locais e alertas são gerados quando limites de deslocamentos importantes para a saúde de operação da torre são excedidos.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[011] Os desenhos descritos na presente invenção são apenas para propósitos ilustrativos de modalidades selecionadas e não pretendem limitar o escopo da presente invenção. Os conceitos inventivos associados à presente invenção serão mais prontamente entendidos por referência à descrição a seguir em combinação com os desenhos anexos, nos quais:

[012] A Figura 1 é uma vista esquemática do sistema de monitoramento de torre remota que ilustra uma torre remota que tem uma unidade de sensoriamento e uma unidade de controle terrestre (GCU) que recebem e transmitem dados relacionados à saúde estrutural da torre remota;

[013] A Figura 2 é uma vista em perspectiva aproximada da unidade de sensoriamento contida no interior de um alojamento protetor próximo a uma porção de topo da torre remota;

[014] A Figura 3 é uma vista em perspectiva aproximada da GCU contida no interior de um alojamento de GCU protetor próximo a uma porção de fundo da torre remota;

[015] A Figura 4 é um diagrama de circuito em blocos que ilustra vários componentes no sistema de monitoramento de torre remota;

[016] As Figuras 5A a 5D são uma série de etapas convencionais para obter um cálculo de tensões na torre remota como um resultado de forças eólicas;

[017] As Figuras 6A a 6C são uma série de etapas de acordo com a presente invenção para obter um cálculo de tensões ou coletar dados para um perfil na torre remota como um resultado de forças eólicas;

[018] A Figura 7 é uma representação gráfica de uma análise modal desempenhada por um computador remoto em comunicação com a GCU para avaliar as respostas dinâmicas da torre a forças externas;

[019] A Figura 8 ilustra várias etapas desempenhadas pelo sistema de monitoramento de torre remota para avaliar as respostas dinâmicas da torre a forças externas; e

[020] A Figura 9 ilustra várias etapas desempenhadas pelo sistema de monitoramento de torre remota para determinar a saúde estrutural da torre remota.

DESCRIÇÃO DA MODALIDADE VIABILIZANTE

[021] Em referência às Figuras, onde números similares indicam partes correspondentes ao longo das várias vistas, um aspecto da presente invenção está relacionado a um sistema de monitoramento de torre 10 que é capaz de monitorar e analisar a saúde estrutural da torre 12 em tempo real e/ou quase em tempo real e fornecer dados históricos para análise de tendência ou outras avaliações. Conforme discutido em detalhes adicionais abaixo, o sistema 10 é exclusivamente capaz de medir a magnitude e a direção de deslocamentos laterais e rotações de torção e balanço, deformações permanentes, oscilações destrutivas e é capaz de desempenhar uma análise modal para avaliar as respostas dinâmicas da torre a forças externas. Tais forças externas incluem vento, gelo e forças de terremoto assim como outras forças menos regulares como impactos, escaladores de torre, atividade de construção, vida selvagem e outras.

[022] Em referência inicial às Figuras 1 a 3, os aspectos do sistema de monitoramento de torre 10 são mostrados de acordo com uma modalidade exemplificativa. O sistema 10 inclui uma unidade de sensoriamento 14, uma unidade de controle terrestre 16 (GCU) e um cabo 18 para transmitir potência e dados entre a unidade de sensoriamento 14 e a GCU 16. Os dados podem incluir novo software, atualizações, leituras, etc. O cabo 16 é também usado para reinicialização ou transferência por upload de novo software do computador remoto para a GCU e sensor. Em termos gerais, a torre 12 será inicialmente erguida ao longo de um eixo A que se estende verticalmente a partir do solo. O eixo A está localizado ao longo do centro de gravidade da torre 12 de modo que o peso da torre 12 seja distribuído próximo ao equilíbrio em torno do eixo A. A torre 12 é em geral mantida ao longo do eixo A por uma ou mais estruturas de sustentação, como através de uma conexão a uma estrutura de fundação subterrânea e/ou uma série de fios estaiados ancorados (não mostrados). A torre 12 inclui uma porção de fundo 20 localizada sobre ou adjacente ao solo e uma porção de topo 22, localizada oposta à porção de fundo 20. Os deslocamentos laterais da torre 12 terão, em geral, uma amplitude maior mais próxima à porção de topo 22 conforme indicado pelas setas esmaecidas. Deve ser observado que o termo “torre” pode incluir outras estruturas como edificações e pontes sem que se afaste do escopo da presente invenção.

[023] A unidade de sensoriamento 14 é preferencialmente localizada próximo à porção de topo 22 da torre 12. A unidade de sensoriamento 14 inclui um alojamento resistente à intempérie 24 (geralmente indicado na Figura 2) que é montado sobre a torre 12 com correias 26 e/ou métodos alternativos como parafusos. O cabo 18 também pode ser preso à torre 12 através das correias 26. A conexão entre o alojamento 24, o cabo 18 e a unidade de sensoriamento 14 é designada para operação em alta energia de radiofrequência e ambientes propensos à raios como em torres de comunicação e não interfere em qualquer equipamento eletrônico que pode ser suportado pela torre 12.

[024] A unidade de sensoriamento 14 contém pelo menos um, mas preferencialmente uma pluralidade de sensores. Embora não seja uma lista completa, a pluralidade de sensores inclui sensores de deslocamento e ambientais que podem incluir um acelerômetro 28 (como um acelerômetro de 3 eixos), um sensor de temperatura 30, um sensor de pressão 32, um giroscópio 34, um inclinômetro 36, um sensor de gelo 38, um sensor de umidade 40, um sensor de precipitação 42, um sensor de raio 44, um magnetômetro 46, outros sensores de deslocamento 47, e outros sensores ambientais 49. É preferencial que os sensores de deslocamento tomem leituras de deslocamento contínuas que estão relacionadas a uma magnitude de deslocamento de torre (lateral, balanço, torção) e que os sensores ambientais tomem leituras ambientais que estão relacionadas a uma magnitude de um fator ambiental que contribui para o deslocamento. Um fator ambiental é mostrado na Figura 1 como uma série de arcos esmaecidos e é designado por “E.F”. O alojamento 24 é designado para permitir que outros sensores externos sejam conectados ao alojamento 24 ou para permitir que outros alojamentos ao longo da altura da torre sejam ligados em cascata juntos com o uso do cabo de potência e dados 18. O alojamento 24 também pode incluir uma ou mais aberturas 48 que permitem que vários sensores se estendam ao longo das mesmas ou janelas 50 para permitir que outros sensores se projetem a partir das mesmas. As aberturas 48 e janelas 50 podem ser similarmente localizadas na GCU 16 (não mostrada). A GCU 16 é mais bem representada na Figura 3 e também inclui um alojamento resistente à intempérie 25 que é geralmente indicado.

[025] A GCU 16 recebe potência de uma fonte de potência externa 52 (como a malha elétrica ou uma célula solar ou ambas). A potência contínua é suprida da fonte de potência externa 52 para a GCU 16 e ao longo do cabo 18 para a unidade de sensoriamento 14. Os dados coletados pela unidade de sensoriamento 14 são transmitidos pelo cabo 18 para a GCU 16. A GCU 16 inclui uma bateria reserva 54 (como uma ou mais baterias de célula de gel substituíveis). A unidade de sensoriamento 14 é designada para operar continuamente com baixos requisitos de potência operacional com a finalidade de maximizar o tempo em que a bateria reserva 54 pode fornecer potência para a unidade de sensoriamento 14 no caso de uma falha da fonte de potência externa 52. A GCU 16 é designada para se conectar a uma variedade de outros dispositivos de monitoramento como um anemômetro 56 e um cata-vento (wind vane) 58 para medir velocidade e direção do vento, sensores de gelo 60, detecção de fogo 62, câmeras 64, dispositivos de segurança 66, equipamentos em sítio ou monitoramento de sistemas 68, etc. As informações da unidade de sensoriamento 14 e da GCU 16 são enviadas através de um transmissor 70 para um servidor remoto 72 como um servidor central e/ou um servidor em nuvem. O transmissor 70 da GCU 16 é conectado ao servidor remoto 72 através de uma conexão sem fio como uma conexão de telefone celular ou através de uma conexão de internet direta para transmitir dados processados da GCU 16 para um computador remoto 74 usando Internet das Coisas (IOT) ou tecnologia similar, que pode ser adicionalmente processada e analisada em uma localização remota.

[026] Os componentes da unidade de sensoriamento 14 e da GCU 16 são selecionados para terem tanto uma confiabilidade muito alta quanto tempo médio entre falha (MTBF) tanto em condições operacionais de alta temperatura quanto de baixa temperatura e instalados em torres 12 submetidas a vibrações. Adicionalmente, a única manutenção de rotina que o sistema de monitoramento 10 requer é a substituição periódica da bateria reserva 54. Além disso, a unidade de sensoriamento 14 tem uma área projetada e massa relativamente baixas e, desse modo, seu impacto na carga estrutural da torre 12 é insignificante independentemente de como e onde a mesma é montada na torre 12.

[027] Em referência agora à Figura 4, um diagrama de blocos exemplificativo de um circuito 100 do sistema 10 é mostrado. Os vários elementos fornecidos no mesmo permitem uma implementação específica. Assim, um técnico no assunto de eletrônica e circuitos pode substituir vários componentes para alcançar uma funcionalidade similar. O circuito 100 inclui um sistema de potência 101, um sistema de GCU 102, um sistema de sensoriamento 104 e um sistema de computador remoto 106. O sistema de potência 101 inclui um circuito de fonte de potência 108 (associado à fonte de potência 52) que é monitorado através de um circuito de supervisão de potência 110 e um circuito de bateria reserva 112 (associado à bateria reserva 54) que é principalmente carregada através do circuito de fonte de potência 108. Em certas disposições, um circuito de fonte de potência secundário ou reserva 109 pode ser incluído de modo que haja um método secundário de fornecimento de uma carga para a bateria reserva no caso de uma falha de circuito de fonte de potência 108. Por exemplo, o circuito de fonte de potência 108 pode ser uma malha e o segundo circuito de fonte de potência 109 pode ser uma célula solar. Uma unidade teste de potência 114 testa corrente do circuito de fonte de potência 108 e/ou do circuito de potência secundário 109 para garantir que a potência está sendo transmitida para a GCU

16. No evento de uma falha de potência, a unidade de teste de potência 114 pode utilizar a bateria reserva 54 para iniciar um protocolo em que um aviso é transmitido para o computador remoto 74. Além disso, em eventos de falha de potência em que a saúde da torre 12 pode não ser mais monitorada de modo eficaz, uma unidade de alarme 116 está localizada no sistema de GCU 102 de modo que possa indicar visualmente tal falha através de um LED piscando ou similares para avisar pessoas em serviço no sítio (on-site) da situação desconhecida. A operação do sistema de potência 101 inclui um controlador 118 localizado no sistema de GCU 102. O controlador 118 inclui um processador 120, uma unidade de comunicações 122 (associada ao transmissor 70) e uma memória 124 que tem armazenamento não transitório legível por máquina. Programas e/ou software 126 são salvos na memória 124 e, assim, são dados 128 obtidos através de muitos sensores e detectores. O processador 120 executa instruções com base no software 126 e nos dados 128, por exemplo, enviando um aviso para o computador remoto 74 caso haja irregularidades nas respostas da torre 12. As comunicações entre o sistema de GCU 102 e o sistema de computador remoto 106 são portadas pela unidade de comunicações 122, permitindo tanto a transmissão quanto a recepção de informações. Como tal, o software 126 e os dados 128 podem ser atualizados através de instruções do sistema de computador remoto 106. Embora não sejam limitados a isso, os sensores exemplificativos 56, 58, 60 também são mostrados no sistema de GCU

102. O sistema de deteção 104 é conectado ao sistema de GCU 102 com o cabo 18 e é mostrado como incluindo sensores 28 a 46 apenas como um exemplo não limitante. Os dados recuperados pelo sistema de sensoriamento 104 pode ser armazenado localmente na memória 124. No evento de uma falha de potência, o sistema de GCU 102 pode preservar a bateria reserva 54 ao cessar comunicações com o sistema de computador remoto 106 e armazenando localmente todos os dados na memória 124 até que a potência seja restaurada ou substituída a partir de uma serviço pessoal remoto ou local. O sistema de computador remoto 106 pode incluir um controlador 130 similar ou idêntico àquele do sistema de GCU 102 e uma interface de usuário 132 para operação de usuário. A interface de usuário 132 pode incluir, sem limitação, monitor e teclado, tela sensível ao toque, dispositivo tablet portátil, etc.

[028] Ainda com referência à Figura 4, o servidor 72 pode ser um servidor de armazenamento que armazena vários dados. Por exemplo, dados armazenados no servidor 72 podem ser categorizados como dados históricos 134, dados em tempo real 136, dados ambientais secundários 138 e dados de localização de torre 140. Os dados históricos 134 podem estar relacionados ao movimento e deslocamento permanente da torre específica 12 e/ou a uma pluralidade de outras torres que têm estrutura similar e dados ambientais gravados a partir de unidades de sensoriamento correspondentes da respectivas torre ou torres. Os dados em tempo real 136 podem estar relacionados à captura de dados em tempo real da torre ou outras torres que têm estrutura similar e leituras ambientais em tempo real e de deslocamento a partir de unidades de sensoriamento da respectiva torre ou torres. Os dados ambientais secundários 138 podem fornecer dados ambientais em tempo real e históricos de fontes como estações meteorológicas e geológicas. Os dados de localização de torre 140 podem estar relacionados a dados de torres dentro de uma proximidade predefinida de modo que os dados possam ser referenciados cruzadamente para discrepâncias entre torres, particularmente, quando todas as torres estão sendo submetidas simultaneamente a fatores ambientais similares. O diagrama de blocos do circuito 100 na Figura 4 é fornecido apenas como um exemplo, deve ser observado que os vários sensores, dados, controladores, memória, processador e outros componentes podem estar localizados localmente na GCU 16, na unidade de sensoriamento 14 e/ou no computador remoto 74 e/ou em outras disposições sem remoção do escopo da presente invenção. Por exemplo, o controlador 118 e componentes podem estar localizados no computador remoto 74 ou tanto no computador remoto quanto na GCU 16.

[029] Conforme anteriormente explicado, o servidor 72 coleta informações para correlacionar com as respostas da torre 12 como dados de vento e gelo obtidos a partir de estações meteorológicas locais e/ou instrumentação localmente instalada e dados de terremoto de fontes como a Sociedade Geológica dos EUA (USGS) e/ou acelerômetros localmente instalados. Essa correlação combinada com as respostas medidas da torre 12 permitem uma análise mais precisa de uma torre 12 e verifica leituras ambientais locais de unidade de sensoriamento 14. Como tal, a torre 12 pode ser monitorada de perto e precisamente em relação ao deslocamento e respostas irregulares aos fatores ambientais e também pode levar ao carregamento adicional proposto ou à análise de fadiga e evitar a necessidade de mapear e avaliar todas as fixações suportadas. A análise aprimorada é possível devido ao cálculo de forças para uma análise computacional convencional envolvendo a determinação inevitavelmente conservadora de áreas projetadas, fatores de arrasto de vento apropriados, fatores de proteção, fatores de amortecimento, fatores de efeito de rajada, etc. não é exigida à medida que os efeitos desses cálculos e fatores são capturados nos dados coletados pelo sistema de monitoramento 10. As respostas medidas da torre 12 podem ser inseridas diretamente no software de análise de torre ou podem ser extrapoladas para determinar os níveis de tensão e respostas esperados sob outras condições de carregamento. O mesmo método pode ser usado para verificar as respostas de uma torre após uma condição alterada ou carregamento adicional ter sido instalado.

[030] Os dados coletados combinados com rotinas de inteligência artificial (AI) ou software 126 têm capacidade de detectar eventos de interesse (eventos de assinatura) sem a revisão humana de grandes quantidades de dados. Com essas informações, o sistema de monitoramento de torre 10 pode identificar uma faixa de eventos menos comuns que poderiam afetar a torre, por exemplo, forças diferentes de eventos de vento, gelo e terremoto. Por exemplo, o sistema de monitoramento de torre 10 da presente invenção pode identificar quando uma bala (ou um outro objeto) atinge a torre; atividade não autorizada (como uma pessoa escalando a torre); quedas de raio; descontrole (galloping) ou estaiamentos soltos (loose guys) em torres de mastro estaiado; ferragens (hardware) ou fixações soltos; e modificações/vandalismo na torre. Além de fornecer para um proprietário de torre (ou operador) com um alerta ou aviso de que um evento ocorreu na torre, o serviço de monitoramento de torre pode ser usado para monitorar quando o trabalho agendado na torre começa e termina.

[031] As Figuras 5A a 5D são uma série de etapas convencionais para obter um cálculo de tensões na torre remota como um resultado de forças eólicas. Partindo da Figura 5A, há uma etapa de mapeamento em sítio de o que está na estrutura, seguida pela Figura 5B que inclui uma etapa de determinar arrasto, proteção e forças. A seguir, o deslocamento é calculado conforme mostrado na Figura 5C e, a partir dessas etapas, as tensões e reações são calculadas conforme mostrado na Figura 5D. Com referência agora às Figuras 6A a 6C, uma série de etapas de acordo com a presente invenção é apresentada. Essas etapas resultam na obtenção de um cálculo de tensões ou na coleta de dados para um perfil na torre remota como um resultado de forças eólicas. Partindo da Figura 6A, a unidade de sensoriamento 14 coleta velocidades de vento e respostas a partir das quais o deslocamento pode ser obtido diretamente a partir de informações coletadas conforme mostrado na Figura 6B. Após as leituras de deslocamento, tensões e reações podem ser calculadas conforme mostrado na Figura 6C.

[032] Com base nas informações recebidas da unidade de sensoriamento 14 (por exemplo, leituras de acelerômetro, giroscópio e magnetômetro) e a GCU 16, o software 126 pode ser configurado adicionalmente para desempenhar uma análise (modal ou de outro modo) para determinar e gravar a magnitude e direção das várias contribuições de respostas dos modos de oscilação da torre para avaliação ou análise estrutural. Mais particularmente, o software 126 é configurado para receber e analisar dados para determinar a magnitude e direção de rotações de torção e balanço. O software 126 também pode incluir valores limites predeterminados de modo que a detecção de respostas de uma preocupação sobre a saúde ou operação na estrutura seja comunicada automaticamente para o computador remoto 74 através de instruções executáveis. Além dos valores limites predeterminados, o software 126 também pode utilizar dados em tempo real e/ou de outro modo para determinar a ocorrência de oscilações destrutivas como desprendimento de vórtice e trepidação, deformações permanentes devido a questões de carregamento excessivo ou fundação, distorções solares e propriedades estruturais da torre 12 incluindo rigidez, amortecimento e frequências naturais. Todos os dados supracitados podem ser inicialmente armazenados na memória 124 posteriormente transmitidos ou transmitidos como dados em tempo real 136 para o armazenamento remoto como o servidor 72.

[033] A Figura 7 é uma representação gráfica de uma análise modal exemplificativa de acordo com um aspecto da presente invenção. A análise modal é desempenhada pelo computador remoto para determinar os modos

(por exemplo, modo 1, modo 2 ou modo 3) contribuindo para as respostas de uma torre para avaliar mais precisamente o impacto sobre a saúde da estrutura.

Em uma modalidade preferencial, a unidade de sensoriamento 14 inclui um acelerômetro de 3 eixos a partir do qual os modos podem ser extrapolados.

Os dados de deslocamento do acelerômetro e/ou outros sensores podem ser usados para determinar a direção e a magnitude de deslocamento.

O software 126 inclui instruções para converter dados de sensor como dados de deslocamento para uma representação no domínio da frequência.

A título de exemplo, o software 126 utilizas uma Transformada Rápida de Fourier ou algoritmos similares como parte da análise modal.

As representações de frequência para modos 1, 2, e 3 podem ser visualizadas separadamente a fim de medir mais precisamente tensões que atuam sobre a torre ao usar os componentes intermediários e oscilantes de deslocamento determinados a partir do algoritmo.

Essas leituras são ao longo dos eixos principais de o estrutura, isto é, os eixos de simetria.

Por exemplo, embora o 3 mostre um deslocamento lateral similar àquele do modo 1, o modo 3 submete mais significativamente a torre à tensão particularmente na porção de base ou inferior da estrutura da torre.

A análise modal permite o cálculo apropriado de tensões na estrutura da torre.

Conhecer simplesmente os deslocamentos brutos não permite uma avaliação precisa de tensões na estrutura da torre.

Com base nas leituras de frequência natural de uma estrutura da torre, o software 126 pode ser implementado adicionalmente para alertar um operador se a estrutura da torre está sendo exposta a fatores ambientais que correspondem à frequência natural (por exemplo, desprendimento de vórtice ou um terremoto), como tal, combinações podem resultar em tensões adicionais para a estrutura da torre que são perigosas ou catastróficas.

A análise modal é vantajosa quando em comparação a outros sistemas de monitoramento de torre conhecidos que não têm capacidade de determinar deslocamentos ou a contribuição modal de cada modo significativo para os deslocamentos e o impacto sobre a estrutura. Um outro recurso único da capacidade de análise modal da presente invenção é que, para uma torre autossuportável 12, apenas uma unidade de sensoriamento 14 pode ser usada para determinar as respostas de torre ao longo de toda a altura da estrutura sem a necessidade de múltiplas unidades de sensoriamento posicionadas em diferentes elevações na torre. As leituras modais podem ser comparadas com dados históricos, por exemplo, através sobreposição de corrente/modos recentes em vez de leituras modais anteriormente salvas. Alterações em certos modos ao longo do tempo podem não apenas indicar fadiga estrutural, mas também pode fornecer detalhes que ajudarão um operador a localizar pontos fracos dentro da estrutura para cuidado preventivo através de amortecimento, estrutura de suporte adicional ou realocação de equipamento.

[034] Com referência agora à Figura 8, é fornecida uma análise de tendência desempenhada pelo computador remoto que determina contribuições ambientais individuais para a magnitude de deslocamento direcional de uma torre 12 para avaliar mais precisamente o impacto sobre a saúde da estrutura. Mais especificamente, a Figura 8 fornece um método implementado por software 200 de determinação da contribuição individual de fatores ambientais que resulta no deslocamento da torre 12. O método 200 começa com o sensoriamento 202 de um deslocamento inicial da torre através de uma leitura de deslocamento da unidade de deteção 14. Uma vez que o deslocamento ocorre, os fatores ambientais ou condições são determinados 204 por leituras ambientais nos múltiplos sensores ambientais localizados na unidade de sensoriamento 14, GCU 16, outros dados do armazenamento remoto e/ou outras fontes locais e ambientais. Ao determinar 204 fatores ambientais, uma leitura de magnitude associada de cada um é reunida, por exemplo, velocidade de vento,

níveis de precipitação, temperatura, etc. São reunidos 206 dados em tempo real que ilustram as alterações em magnitude de fatores ambientais e alteração resultante em deslocamento da torre. Se dados históricos existirem quando apenas um dos fatores ambientais sensoriados estava presente, em uma magnitude similar e atuando contra uma torre similarmente configurada (ou a mesma torre), uma contribuição para esse fator é determinada 208. Por outro lado, em situações envolvendo combinações únicas de fatores ambientais, uma redução em fatores ambientais, em geral, indicada no bloco 210 pode ser necessária. Em tais instâncias, dados históricos são reunidos 212 em que alguns, mas não todos os fatores ambientais contribuintes estavam presentes, de preferência, mas não necessariamente em magnitudes similares e com torres similarmente configuradas (ou a mesma torre). Na etapa 214, as leituras de torre, como a magnitude de deslocamento é subtraída de dados históricos para isolar contribuições específicas de cada fator ambiental. Obviamente, certos fatores ambientais operarão sinergicamente de modo que a resposta de torre seja maior que a soma de suas resposta individuais. Como tal, discrepâncias são observadas 216 entre os valores calculados e os valores atuais para entender melhor a combinações de fatores ambientais que são particularmente prejudiciais, como vento e gelo. Os cálculos são salvos 218 e referenciados cruzadamente em determinações de contribuição futuras para precisão e para auxiliar adicionalmente na sinalização de comportamento irregular de uma torre. Por exemplo, se uma torre tiver gelo retido, oscilações prejudiciais podem ocorrer com vento conforme determinado pela análise modal.

[035] Um exemplo não limitante de um método implementado por software 300 de determinação de irregularidades na estrutura da torre é apresentado na Figura 9. O método começa pelo sensoriamento de deslocamento 302 através de uma leitura de deslocamento. Dados sensoriados podem ser gravados continuamente 304. O deslocamento é monitorado continuamente e correlacionado com dados ambientais para garantir que não exceda um limite predeterminado 306 que é prejudicial à saúde da torre, o desempenho de equipamento suportado pela torre ou, de outro modo, de interesse.

Se o deslocamento for acima do limite predeterminado, o sistema ativará 308 um alarme correspondente para avisar de falha estrutural potencial.

Se o deslocamento não for acima de um limite predeterminado, o sistema correlacionará 310 o deslocamento com fatores ambientais, por exemplo, vento.

Se nenhum fator ambiental correlacionado for sensoriado a partir da unidade de sensoriamento ou da GCU, o alarme fornecerá 312 um aviso correspondente para investigação adicional.

Se fatores ambientais correlacionados forem determinados, uma comparação 314 de resposta de torre é desempenhada com uma fonte secundária de dados conforme, em geral, indicada para irregularidades no comportamento de torre.

A comparação 314 inclui pesquisar através do servidor por instâncias com fatores ambientais similares para desenvolver um perfil de deslocamento esperado de uma torre saudável exposta aos mesmos fatores ambientais para comparar as leituras de deslocamento da torre para irregularidades.

A comparação 314 para desenvolver um perfil de deslocamento esperado pode incluir qualquer combinação das caixas internas 316 a 322. Mais particularmente, o deslocamento da torre pode ser comparado 316 a dados históricos de torres que têm uma configuração similar e expostos a fatores ambientais similares; o deslocamento da torre pode ser comparado 318 ao deslocamento de torres próximas; o software pode comparar 320 fatores ambientais sensoriados com dados ambientais secundários como dados de terceiros (por exemplo, estações meteorológicas); e o software pode desempenhar uma análise modal 322 como aquela mostrada na Figura 7, que pode considerar ou não ou ter como base fatores ambientais.

Se uma ou mais comparações 314 indicarem 324 fadiga estrutural, por exemplo, as leituras de deslocamento são uma quantidade limite maior que o perfil de deslocamento esperado para um determinado modo, então, o sistema envia um aviso 326. Se uma ou mais comparações 314 não indicarem fadiga estrutural, então, o sistema continua a monitorar 328 a torre em relação à fadiga estrutural. Se uma ou mais comparações 314 indicarem 330 subutilização, por exemplo, a torre não está sendo deslocada tanto quanto o perfil de deslocamento esperado sugere, a torre é sinalizada como sendo subutilizada e tem potencialmente capacidade de suportar mais equipamento. Deve ser observado que comparações com dados históricos 316 podem incluir dados históricos da mesma torre, em que uma faixa maios de deslocamento experimentado sob fatores ambientais que a torre foi exposta anteriormente podem ser usadas para indicar o dano de fadiga estrutural potencial, a vida útil restante da estrutura da torre ou outras questões estruturais progressivas. Dados históricos também podem incluir análise modal anteriormente realizada em que modos individuais podem ser comparados para identificar alterações estruturais na torre ou sua fundação. Além disso, valores limites predeterminados relacionados às medições tanto de frequência quanto de amplitude podem ser usados, em que uma leitura de modo que excede o valor limite ativa um protocolo de alarme ou alerta. Os dados armazenados no processador também podem incluir perfis de modo associados a um ou mais de desprendimento de vórtice, trepidação, etc., que podem ser comparados com os modos detectados da torre 12. Comparações podem ser feitas através de qualquer tipo de software que implementa busca incluindo sobreposição de perfis sobre os modos da torre 12. Alterações em modos ao longo do tempo também podem ser monitorados e indicam dano estrutural.

[036] Deve ser observado adicionalmente que comparações 314 com dados históricos 316 e/ou dados em tempo real de torres próximas 318 podem incluir uma etapa de ponderar medições de deslocamento ao longo do tempo para desenvolver o perfil de deslocamento esperado de uma torre saudável e ativar um alarme se o deslocamento da torre for um limite predeterminado acima do esperado. Por exemplo, a resposta de diversas torres ou torres próximas pode ser ponderada para determinar um deslocamento esperado mais preciso. De modo similar, para torres que têm estrutura diferente, correlações podem ser feitas com base em dados históricos ou em tempo real. Por exemplo, uma torre maior pode ser mostrada como sendo deslocada em uma taxa de aproximadamente metade daquela torre em questão sob fatores ambientais similares e, como tal, correlações entre os dois comportamentos serão responsáveis pela reação da torre em questão aproximadamente duas vezes mais do que a torre maior antes de quaisquer irregularidades poderem ser concluídas. O aviso de alarme pode ser local e/ou enviado para o computador remoto 74. As ativações de alarme, como todos os outros dados obtidos no sistema 10 podem ser gravadas e armazenadas como dados históricos para estabelecer ou revisar limites que geram alarmes, etc. Todos os dados podem ser armazenados remotamente e também permanentemente, mas, de preferência serem armazenados temporariamente de modo local na GCU 16, no servidor remoto 72 ou no computador remoto 74.

[037] O sistema de monitoramento de torre 10 da presente invenção fornece um ampla gama de benefícios adicionais para um proprietário de torre. Por exemplo, o mesmo tem capacidade de detectar remotamente oscilações destrutivas e alterações na estrutura ao comparar dados de antes e depois de um evento de carregamento. Em tempo real (ou quase em tempo real), o sistema de monitoramento de torre também tem capacidade de comparar dados da unidade de sensoriamento 14, de sensores opcionais no sítio da torre, informações de estações meteorológicas, USGS, etc. contra limites pré-

estabelecidos e gera alerta quando aqueles limites excedem para alertar o proprietário de torre que uma inspeção ou outra ação pode ser necessária. O sistema de monitoramento de torre também pode fornecer relatórios de “saúde” periódicos que mostram tendências de deslocamento em comparação à média por um período de tempo e relata deformações permanentes para um proprietário de torre e verifica resposta de adições e/ou modificações na torre. O sistema de monitoramento de torre também pode fornecer uma análise de frequência que pode ser usada para ajustar um ou mais amortecedores estruturais para controlar oscilações da torre.

[038] O sistema de monitoramento de torre da presente invenção tem capacidade de medir alterações graduais, ou tendências, em respostas. Tal análise de tendência pode ser útil para identificar problemas relacionados à corrosão, perda de componentes estruturais, vandalismo, adição de carregamento, torres sobrecarregadas, a eficácia de modificações estruturais, questões de fundação, prever a vida útil de fadiga de torres submetidas a carregamento cíclico, flambagem, etc. por exemplo, um comportamento irregular de uma torre pode ter sido observada anteriormente na mesma torre ou um uma torre diferente, por ter grandes quantidades de dados, o sistema pode sinalizar eventos similares anteriores para formar um diagnóstico inicial.

[039] O sistema de monitoramento de torre tem capacidade de identificar estruturas subutilizadas, que podem ser oportunidades de receita potenciais para o proprietário de torre; otimizar e estender potencialmente intervalos de inspeção estrutural exigida; reduzir viagens de serviço com base em inquéritos/preocupações públicas; reduzir custos de gerenciamento pós tempestade e lidar eficientemente com torres danificadas ao direcionar apenas equipes para torres que geraram alertas de que limites críticos foram excedidos; identificar estruturas sobrecarregadas; e aumentar a confiabilidade de serviços suportados por uma torre e diminuir prêmios de seguro.

[040] Obviamente, muitas modificações e variações da presente invenção são possíveis à luz dos ensinamentos acima e podem ser praticadas de outro modo do que o especificamente descrito enquanto dentro do escopo das reivindicações anexas. Adicionalmente, deve ser entendido que todos os recursos de todas as reivindicações e todas as modalidades podem ser combinados uns com os outros desde que não se contradigam. Por exemplo, o sistema de monitoramento pode ser usado para monitoramento contínuo ao longo da vida de uma torre ou para monitoramento a curto prazo para obter informações específicas desejadas. Para unidades de sensoriamento que não instaladas em ambientes de alta energia de radiofrequência, a unidade de sensoriamento pode ser montada com sua própria fonte de potência e meios para transmitir dados por comunicações sem fio ou por conexões diretas com a internet no sítio sem a necessidade de um cabo e uma GCU. O servidor, o controlador e o computador remoto podem ser incorporados de diversas formas diferentes sem se afastar do escopo desta invenção. Salvo se indicado de outro modo, “em tempo real” pode se referir a quase em tempo real em que o atraso é apenas segundos ou poucos minutos e também podem se referir à recepção e transmissão contínua de leituras de dados. Também deve ser observado que, salvo se indicado de outro modo, a lista de sensores/detectores exemplificativos na GCU 16 e sensores exemplificativos na unidade de sensoriamento 14 poderia estar toda localizada na GCU 16 ou na unidade de sensoriamento 14 ou disposta em várias combinações entre as duas sem se afastar do escopo da presente invenção. Tais variações não são consideradas como um afastamento da invenção, e pretende-se que todas as tais modificações sejam incluídas dentro do escopo de invenção.

Claims (20)

REIVINDICAÇÕES

1. Sistema de monitoramento de torre caracterizado pelo fato de que compreende: uma unidade de sensoriamento para fixação a uma torre e tendo pelo menos um sensor de deslocamento para obter referência de leituras de deslocamento para os eixos principais da estrutura; um servidor remoto em comunicação com a unidade de sensoriamento para receber e salvar as leituras de deslocamento; e um processador configurado para revisar as leituras de deslocamento e realizar uma análise modal que separa deslocamento médio a partir das leituras de deslocamento devido a pelo menos um modo de oscilação da torre.

2. Sistema de monitoramento de torre, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o processador converte as leituras de deslocamento em pelo menos um modo como uma representação em frequência.

3. Sistema de monitoramento de torre, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um modo inclui um primeiro modo e um segundo modo, o primeiro modo incluindo a frequência natural.

4. Sistema de monitoramento de torre, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o servidor remoto inclui valores limites predeterminados e o processador é adicionalmente configurado para comparar o pelo menos um modo com os valores limites predeterminados e gerar um alarme se o valor limite predeterminado for excedido.

5. Sistema de monitoramento de torre, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o segundo modo inclui um dentre deslocamento lateral, rotações de torção e rotações de balanço.

6. Sistema de monitoramento de torre, de acordo com a reivindicação 3,

caracterizado pelo fato de que inclui adicionalmente um terceiro modo diferente do primeiro modo e do segundo modo.

7. Sistema de monitoramento de torre, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o servidor remoto inclui dados históricos relacionados à análise modal anteriormente realizada que o processador compara com o pelo menos um modo.

8. Sistema de monitoramento de torre, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que inclui uma unidade de controle terrestre (GCU) em comunicação elétrica com a unidade de sensoriamento para transmissão sem fio das leituras de deslocamento para o servidor remoto.

9. Sistema de monitoramento de torre, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a GCU inclui uma fonte de potência externa para fornecer eletricidade para a unidade de sensoriamento e inclui adicionalmente um circuito de bateria reserva para uso mediante falha da fonte de potência externa.

10. Sistema de monitoramento de torre, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o processador é adicionalmente configurado para determinar as propriedades estáticas e dinâmicas da torre que incluem pelo menos um dentre rigidez, frequência natural e amortecimento.

11. Sistema de monitoramento de torre, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o processador considera condições ambientais.

12. Sistema de monitoramento de torre, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que inclui um inclinômetro para detectar deformação permanente da torre.

13. Sistema de monitoramento de torre, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o processador é localizado em um computador remoto que recebe dados do servidor remoto.

14. Sistema de monitoramento de torre, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o processador é adicionalmente configurado para realizar uma análise de tendência das leituras de deslocamento por um período de tempo e alertar um operador de torre sobre uma magnitude de deslocamento que aumenta progressivamente em resposta a tensões similares.

15. Sistema de monitoramento de torre, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o processador é adicionalmente configurado para desempenhar uma análise de tendência do pelo menos um modo por um período de tempo para gerar um alarme mediante uma alteração de frequência do pelo menos um modo ao longo do tempo em resposta a tensões similares.

16. Sistema de monitoramento de torre, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o processador é adicionalmente configurado para desempenhar uma análise de tendência do primeiro modo e gerar um alarme mediante uma alteração na frequência natural.

17. Sistema de monitoramento de torre, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o servidor remoto inclui perfis de modo relacionados a pelo menos um dentre desprendimento de vórtice, trepidação e deformações permanentes.

18. Sistema de monitoramento de torre, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que o processador é adicionalmente configurado para comparar o pelo menos um modo com os perfis de modo.

19. Sistema de monitoramento de torre, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sensor de deslocamento inclui um acelerômetro, um giroscópio e magnetômetro.

20. Sistema de monitoramento de torre, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o processador é adicionalmente configurado para correlacionar fatores ambientais e limites predeterminados de deslocamento associados aos fatores ambientais, em que um alarme é gerado quando o deslocamento excede o limite predeterminado.