BR112021001379A2

BR112021001379A2 - sistema de sensor de correia

Info

Publication number: BR112021001379A2
Application number: BR112021001379-2A
Authority: BR
Inventors: Kane Chinnel; Joseph R. Duke Jr.; Leslee Brown
Original assignee: Gates Corporation
Priority date: 2018-07-25
Filing date: 2019-07-23
Publication date: 2021-04-20
Also published as: CN112639426A; CN112639426B; CA3107574C; US11105401B2; JP2021532362A; KR102468559B1; WO2020023499A1; CA3107574A1; JP7268131B2; AU2019309920B2; EP3827235A1; TW202012812A; MX2021001004A; AU2019309920A1; KR20210033535A; US20200032883A1; TWI709702B; EP3827235B1

Abstract

sistema de sensor de correia. um sistema de sensor de correia compreendendo um primeiro sensor ir disposto adjacente a uma correia para detectar uma proximidade de superfície de correia e para gerar um primeiro sinal portanto, um segundo sensor ir disposto adjacente a uma correia para detectar um sinal periódico de uma segunda superfície de correia e para gerar um segundo sinal, portanto, um processador de sinal operando no primeiro sinal e segundo sinal para calcular uma tensão de correia dinâmica, e exibir a tensão de correia dinâmica em uma gui.

Description

“SISTEMA DE SENSOR DE CORREIA” Campo da Invenção

[001]A invenção refere-se a um sistema de sensor de correia, e mais particularmente, a um sistema de sensor de correia compreendendo um sistema de sensor de correia sem contato tendo um processador de sinal operando em um primeiro sinal e um segundo sinal para calcular uma tensão de correia dinâmica.

Fundamentos da Invenção

[002]As correias de transmissão de força dependem da tensão adequada para operar adequadamente. A tensão pode ser aplicada ajustando o centro da roda dentada do acionador em relação ao centro da roda dentada acionada. Um tensionador automático também pode ser usado.

[003]Em sistemas onde um tensionador automático não é usado, a tensão de operação adequada da correia pode diminuir gradualmente com o tempo. A perda de tensão pode fazer com que a correia escorregue, resultando em falha da correia. A falha da correia resulta em tempo de inatividade para o sistema.

[004]A tensão da correia pode ser determinada em função da frequência de oscilação da correia instalada. Os medidores de tensão acústica da correia medem a frequência vibracional de uma correia em Hz na condição estacionária, ou seja, o sistema de correia não está operando. A frequência mais alta indica uma tensão mais alta, enquanto uma frequência mais baixa indica uma tensão mais baixa, não muito diferente de um instrumento de cordas.

[005]O representante da técnica é Patente US nº 6852050 que divulga sensor lateral posicionado próximo a pelo menos uma das bordas de uma correia transportadora que monitora continuamente a posição da borda da correia transportadora. Se o movimento lateral for detectado pelo sensor lateral, um motor de ajuste gira para mover uma extremidade de uma polia não acionada para ajustar o movimento lateral. O sensor lateral pode ser um sensor de proximidade indutivo sem contato, um sensor proporcional, como um transdutor de deslocamento variável linear ou um potenciômetro linear que determina se a borda da correia transportadora se moveu lateralmente, monitorando a resistência na mola, ou um sensor de efeito Hall.

[006]O que é necessário é um sistema tendo um processador de sinal operando em um primeiro sinal e um segundo sinal para calcular uma tensão de correia dinâmica. A presente invenção vai ao encontro desta necessidade.

Sumário da Invenção

[007]Um aspecto da invenção é fornecer um sistema tendo um processador de sinal operando em um primeiro sinal e um segundo sinal para calcular uma tensão de correia dinâmica.

[008]Outros aspectos da invenção serão apontados ou tornados óbvios pela seguinte descrição da invenção e os desenhos anexos.

[009]A invenção compreende um sistema de sensor de correia compreendendo um primeiro sensor IR (sensor infravermelho) disposto adjacente a uma correia para detectar uma proximidade de superfície de correia e para gerar um primeiro sinal, portanto, um segundo sensor IR disposto adjacente a uma correia para detectar um sinal periódico de uma segunda superfície de correia e para gerar um segundo sinal, portanto, um processador de sinal operando no primeiro sinal e segundo sinal para calcular uma tensão de correia dinâmica, e exibir a tensão de correia dinâmica em uma GUI (Interface Gráfica do Usuário).

Breve Descrição dos Desenhos

[010]Os desenhos anexos, que são incorporados e fazem parte do relatório descritivo, ilustram modalidades preferidas da presente invenção e, juntamente com uma descrição, servem para explicar os princípios da invenção.

[011]A Figura 1 é um esquema do sistema.

[012]A Figura 2 é um detalhe da matriz de sensor.

[013]A Figura 3 é um fluxograma do sistema.

[014]A Figura 4 é um gráfico dos sinais combinados.

Descrição Detalhada das Modalidades Preferidas

[015]A Figura 1 é um esquema do sistema. Uma matriz de sensor compreende dois sensores de proximidade sem contato de alta precisão, de amostragem rápida, dispostos em paralelo.

[016]Um exemplo de sistema compreende uma polia acionadora 10, uma polia acionada 20 com uma correia 30 treinada entre elas. A matriz de sensor compreende um primeiro sensor de proximidade infravermelho (IR) 40 e um segundo sensor de proximidade 50. Ambos os sensores de proximidade são conectados a um processador de sinal digital 60. O processador 60 está conectado a uma rede de sistema de controle.

[017]Os sensores infravermelhos (IR) estão disponíveis em várias fontes, incluindo InfraTec, Mouser Electronics (# 852-GP2Y0D815Z0F) e STMicroelectronics (# VL53L1X). Estes exemplos são oferecidos apenas para ilustrar a amplitude da invenção e não se destinam a limitar o sistema apenas a esses dispositivos.

[018]Os sinais de cada sensor podem ser transmitidos sem fio 42, 52 por Bluetooth™ para um receptor 62, ou por meio de hardwire 41, 51. Bluetooth™ é um padrão de tecnologia sem fio amplamente adotado para troca de dados em curtas distâncias. A tecnologia usa frequências UHF na banda ISM de 2,4 a 2,485 GHz. Ele é usado em dispositivos fixos e móveis.

[019]O comprimento de acionamento (L) é entre o centro da polia 10 e o centro da polia 20.

[020]A Figura 2 é um detalhe da matriz de sensor. O sensor de proximidade 40 gera um sinal analógico e é usado para detectar a distância relativa da parte traseira da correia 31. O sensor 50 gera um sinal digital e é usado para detectar a passagem de cada área de superfície do dente 32 enquanto a correia está em operação. A área de superfície do dente 32 está disposta entre os dentes adjacentes

33. Uma distância relativa para cada superfície 31, 32 pode ser determinada com base na colocação do sensor e dados conhecidos da correia e de cada sensor 40, 50. De preferência, os sensores são colocados em ou perto da linha central da correia equidistante entre a polia acionadora 10 e polia acionada 20.

[021]Os sensores 40, 50 medem as vibrações do primeiro ou terceiro nós de harmônicos fundamentais da correia 30. Os sinais brutos são considerados uma onda cosseno/senoidal retificada semi-retificada dentro de uma forma de onda de amplitude dupla, consulte a Figura 4.

[022]O uso do sinal de cada sensor em conjunto produzirá o deslocamento dimensional líquido, total ou pico a pico da correia vibratória. Após a aquisição de dados, as técnicas de processamento de sinal de amplitude são realizadas pelo DSP nos sinais do sensor. O sensor de proximidade do lado do dente 50 detecta a frequência de engrenamento/excitação. O DSP o filtra do sinal de vibração de amplitude do sensor 40.

[023]A frequência de excitação é uma função da velocidade linear do dente da correia durante a operação, portanto, o sensor 50 detecta a velocidade da correia.

Cada superfície plana 32 reflete o sinal IR para o receptor do sensor 53. Uma vez que cada dente 33 espalha a luz IR, o sinal cai periodicamente, portanto, o sinal transmitido pelo sensor 53 é periódico. A distância entre cada superfície 32 é conhecida e é baseada no passo da correia P. O período entre cada sinal 54 da superfície 32 pode ser usado para determinar a velocidade v da correia 30 na direção D.

[024]Da mesma forma, o sensor de proximidade posterior 40 mede a vibração de amplitude excitada ± y e a frequência de oscilação relacionada. A direção ± y é normal à direção D. A superfície 31 reflete o sinal IR para o receptor do sensor 43.

[025]Um DSP/microcontrolador e sensores infravermelhos prontos para uso foram usados. Dois sensores Sharp IR diferentes são selecionados. Um sensor de distância analógico Sharp GP2Y0A51SK0F classificado como 2 a 15 cm é usado para o sensor 40. Um sensor de distância digital Sharp GP2Y0D805Z0F classificado para 5 cm é usado para o sensor 50.

[026]O microcontrolador DSP usado para amostrar os dados foi um Arduino Pro™ da marca Atmel™ Atmega™328P SMD rodando em 3,3 V a uma frequência de relógio de 8 MHz, que pode ser programado para amostrar um canal de entrada analógica a 4 KHz com resolução de 10 bits, e pode amostrar um canal de entrada digital maior que 100 KHz. O microcontrolador também foi programado usando o Ambiente de Desenvolvimento Integrado Arduino (IDE), um programa baseado em Java usado para criar código C/firmware para o controlador.

[027]O sistema também inclui uma GUI com base em MatLab™ usada para analisar as mensagens, registrar os dados em arquivo e exibir a frequência do dente e a vibração da correia. As configurações da porta de comunicação, a taxa de transmissão e o tipo de controle de fluxo são codificados no firmware do microcontrolador e no software da GUI.

[028]Três partes separadas do código C são combinadas em um loop principal no microcontrolador, e uma tela de usuário com base em MatLab foi escrita com o propósito de testar a teoria e a aplicação desta investigação técnica; o firmware no microcontrolador para controle de tempo, aquisição de dados e envio de mensagens seriais e o script MatLab para a interface gráfica do usuário (GUI) e registro de dados.

[029]O firmware escrito para o microcontrolador é uma combinação de três algoritmos separados; amostragem analógica dos sensores de proximidade e cálculo de uma grande variedade de dados de proximidade com base em séries temporais por meio de transformadas rápidas de Fourier (FFT) e um contador de frequência de microssegundos. Após configurar variáveis globais não voláteis, os temporizadores são declarados para controlar com precisão as taxas de amostragem analógica e de saída serial. A taxa de saída serial é configurada estaticamente para atualizar a porta COM em 10 Hz, e a taxa de amostragem analógica é baseada no tamanho da matriz

(2^n termo) usado para FFT. Após cada amostra, o valor analógico é armazenado em uma matriz de buffer circular para uso posterior. Neste sistema, a matriz é definida para 256 (2^8) termos, dos quais metade são reais e metade são valores imaginários; apenas os termos reais são usados na análise de frequência. Como a FFT é uma série de funções de processo intensivo, ele só é chamado para operar na matriz antes que a saída serial seja enviada para a porta COM.

[030]Um outro algoritmo usado no firmware do DSP/microcontrolador é o contador de frequência do dente. A lógica é idêntica aos sensores RPM nos quais o tempo, em microssegundos, é medido entre as transições de pulso de baixo para alto e colocado em uma matriz de média móvel. A entrada digital para o sensor de proximidade está ligada à função de interrupção do pino do microcontrolador.

[031]A média móvel da matriz é então armazenada em uma variável global onde será calculada a média para calcular a frequência de engrenamento e a velocidade de acionamento na saída serial para o monitor do usuário ou rede.

[032]As mensagens seriais são baseadas em um temporizador configurado para chamar a função a cada 100 milissegundos, ou 1/10 de segundo, do microcontrolador e seguem uma forma muito simples: 2 bytes usados para o cabeçalho, 16 bytes usados para a mensagem de FFT, 16 bytes usados para a frequência de engrenamento do dente e 2 bytes usados para caracteres da linha final.

[033]O script de GUI com base em Matlab executa as configurações de porta COM definidas pelo usuário antes de permitir a passagem de qualquer mensagem do microcontrolador. Uma vez que as configurações são combinadas, o Matlab puxa cada byte do buffer circular das portas COM e começa a procurar os bytes de cabeçalho enviados do microcontrolador. Após uma comparação correta do cabeçalho, o script registrará um carimbo de data/hora, lerá o buffer até os caracteres da linha final e gravará os bytes brutos no arquivo. O script também atualiza o gráfico para FFT, converte os bytes brutos na forma decimal e atualiza os valores para exibição.

[034]Os sensores 40, 50 detectam as distâncias relativas da parte traseira da correia e áreas do dente/superfície enquanto a correia está em operação. No exemplo de sistema, o sensor analógico (vibração de amplitude) 40 tem uma faixa de 2 a 15 cm, e pode ser colocado a aproximadamente 4 cm da parte traseira 31 da correia. Da mesma forma, o sensor digital (contador de dente) 50 tem uma histerese que varia de 4,5 a 5,5 cm e pode ser colocado a aproximadamente 5 cm do dente 33 e do lado de superfície 32 da correia.

[035]A Figura 3 é um fluxograma do sistema. O início do sistema ocorre em

1001. A configuração é executada 1002. A entrada do usuário é lida 1003. O sinal de deslocamento do sensor 40 é lido 1004. Os dados são armazenados no buffer circular

1005. Um buffer circular é uma estrutura de dados que usa um buffer de tamanho único, fixo como se conectado cabeça com cauda de forma circular. Esta estrutura é útil para o buffer de fluxos de dados, como da matriz de sensor instantâneo 40, 50. Os dados são lidos do buffer 1006 ou diretamente da entrada do usuário 1003.

[036]Uma FFT é executada em 1009. A FFT faz a amostragem de um sinal durante um período de tempo e o divide em seus componentes de frequência. Esses componentes são oscilações sinusoidais únicas em frequências distintas, cada uma com sua própria amplitude e fase. Portanto, a FFT é usada para converter um sinal do sensor 50 de seu domínio de tempo original para uma representação no domínio de frequência e vice-versa.

[037]A frequência de engrenamento do sensor 50 é filtrada em 1010. Os dados usados em 1009, 1010 são então excluídos do buffer 1012. A frequência dominante é selecionada em 1011. Usando a frequência dominante selecionada (f) em 1013, a lei de Mersenne é usada para calcular a tensão da correia (T).

[038]A velocidade da correia é calculada a partir da frequência do dente e usada em 1015. A velocidade da correia pode ser adquirida de um medidor de RPM do sistema (não mostrado) ou calculada a partir da frequência de engrenamento. As constantes de material da correia fornecidas pelo usuário são lidas em 1019. As constantes de transmissão fornecidas pelo usuário são lidas em 1016. As constantes de material da correia 1019 são inseridas no cálculo da lei de Mersenne em 1013.

[039]A diferença do sinal do sensor 40 e do sensor 50 produz uma forma de onda de vibração de amplitude mais limpa que é usada para calcular a frequência de oscilação (f). A frequência derivada (f) é usada para aproximar a tensão ativa da correia (T) usando a Lei de Mersenne para as vibrações das cordas: . T:=𝜇.

Onde T = tensão da correia f = frequência n = nó L = comprimento de acionamento 𝜇= massa por comprimento de unidade de correia

[040]A tensão de correia dinâmica (T) é calculada usando as constantes do sistema, a saber, distância do centro de acionamento (L) e densidade linear da correia (µ) além de valores medidos de sensores 40 e 50.

[041]A execução do cálculo em 1013 dá a medição de tensão ativa 1017 (T).

A medição de tensão ativa é então inserida na equação de compensação de Tdyn de tensão dinâmica 1018. O termo Tdyn é a soma de W/2 (Estático) + metade da diferença da tensão entre T (t) e T (s) que é o aplicado torque. O W/2 (estático) é equivalente à tensão estática da correia (W). W é uma carga estática que é aplicada à correia por meio das polias no momento da instalação.

[042]Tt - Ts = 2Q/Dp é a parte ativa da equação, onde Q é o torque transmitido e Dp é o diâmetro do passo das polias 10, 20. A vibração de amplitude de Tt e Ts são mensuráveis usando os sensores de proximidade, e a tensão de cada lado é calculada usando a Lei de Mersenne resolvida por tensão. T (t) (tensão do lado apertado) e T (s) (tensão do lado frouxo) são calculados na etapa 1013.

[043]Um termo centrífugo é devido a uma unidade em funcionamento = K*m*v2. K é uma constante do sistema para unidades e é igual a 1 para unidades métricas. Da mesma forma, K = 8,6374 x 10^6 para unidades inglesas. Por último, m = µ, e é a massa/comprimento de unidade e v é a velocidade da correia que é calculada usando a frequência medida do dente.

[044]Portanto, a tensão dinâmica pode ser calculada somando todas as partes da equação: Tdyn = W/2 (estático) +/-(Tt - Ts)/2 (ativo) + Kmv2 (centrífuga).

[045]O cálculo fornece a tensão dinâmica total Tdyn 1019. Este sinal de resultado pode ser enviado para uma GUI 1020 ou armazenado 1021 em uma memória do sistema.

[046]A tensão dinâmica total Tdyn pode ser usada para controlar a operação do sistema com base na tensão de correia dinâmica. Por exemplo, limites de alarme podem ser incluídos para alertar um operador no caso de o sistema se desviar dos limites prescritos. O histórico do sistema pode ser usado para estimar a vida útil restante da correia.

[047]A Figura 4 é um gráfico um gráfico dos sinais combinados. As medições brutas do sinal são consideradas uma onda cosseno/senoidal retificada pela metade em uma forma de onda de amplitude dupla. O sinal 45 é do sensor 40. O sinal 55 é do sensor 50. A natureza periódica do sinal 55 é uma função da velocidade de passagem de cada dente 32 pelo sensor 50. A natureza sinusoidal do sinal 45 é o resultado da extensão da vibração da correia ao longo de um eixo normal à direção do movimento D.

[048]Embora uma forma da invenção tenha sido descrita neste documento, será óbvio para aquelas pessoas versadas na técnica que variações podem ser feitas na construção e relação das peças sem se afastar do espírito e escopo da invenção aqui descritos. A menos que especificado de outra forma, os componentes representados nos desenhos não são desenhados em escala. Os exemplos numéricos são usados para ilustrar a invenção e não se destinam a limitar a amplitude das reivindicações. Além disso, não se pretende que qualquer uma das reivindicações anexas ou elementos de reivindicação invoque 35 U.S.C. §112 (f) a menos que as palavras “meios para” ou “etapa para” sejam explicitamente usadas na reivindicação particular. A presente divulgação não deve de forma alguma ser limitada às modalidades exemplares ou dimensões numéricas ilustradas nos desenhos e descritas neste documento.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Sistema de sensor de correia, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: um primeiro sensor infravermelho disposto adjacente a uma correia que detecta uma proximidade de superfície de correia e que gera um primeiro sinal portanto; um segundo sensor infravermelho disposto adjacente a uma correia que detecta um sinal periódico de uma segunda superfície de correia e que gera um segundo sinal portanto; um processador de sinal operando no primeiro sinal e segundo sinal para calcular uma tensão de correia dinâmica usando a equação: . T:=𝜇. Onde T = tensão da correia f = frequência n = nó L = comprimento de acionamento µ = densidade por comprimento de unidade de correia.

2. Sistema de sensor de correia, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a correia compreende uma correia dentada.

3. Sistema de sensor de correia, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de que o segundo sensor infravermelho detecta uma superfície do dente entre dentes de correia adjacentes.

4. Sistema de sensor de correia, de acordo com a reivindicação 3, CARACTERIZADO pelo fato de que o primeiro sensor infravermelho detecta uma proximidade variável da superfície de correia.

5. Sistema de sensor de correia, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende:

um primeiro sensor infravermelho disposto adjacente a uma correia que detecta uma proximidade de superfície de correia e que gera um sinal analógico, portanto; um segundo sensor infravermelho disposto adjacente a uma correia que detecta um sinal periódico de uma segunda superfície de correia e que gera um sinal digital, portanto; um processador de sinal operando no sinal analógico e no sinal digital para calcular uma tensão de correia dinâmica usando a equação: . T:=𝜇. Onde T = tensão da correia f = frequência n = nó L = comprimento de acionamento µ = densidade por comprimento de unidade de correia; e armazenar a tensão de correia dinâmica para o uso por um usuário.

6. Sistema de sensor de correia, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: um primeiro sensor disposto adjacente a uma correia que detecta uma proximidade de superfície de correia e que gera um sinal analógico, portanto; um segundo sensor disposto adjacente a uma correia que detecta um sinal periódico de uma segunda superfície de correia e que gera um sinal digital, portanto; um processador de sinal operando no sinal analógico e no sinal digital para calcular uma tensão de correia dinâmica usando a equação: . T:=𝜇. Onde T = tensão da correia f = frequência n = nó L = comprimento de acionamento µ = densidade por comprimento de unidade de correia; e armazenar a tensão de correia dinâmica para o uso por um usuário.

7. Sistema de sensor de correia, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO pelo fato de que o primeiro sensor é um sensor infravermelho.

8. Sistema de sensor de correia, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO pelo fato de que o segundo sensor é um sensor infravermelho.

9. Sistema de sensor de correia, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende; uma matriz de sensor que detecta uma correia dentada e que gera um sinal analógico e um sinal digital a partir da mesma; um processador de sinal operando no sinal analógico e no sinal digital para calcular uma tensão de correia dinâmica; e armazenar a tensão de correia dinâmica em uma memória.

10. Sistema de sensor de correia, de acordo com a reivindicação 9, CARACTERIZADO pelo fato de que o sinal analógico é usado para determinar uma vibração da correia e o sinal digital é usado para determinar uma velocidade da correia.

11. Sistema de sensor de correia, de acordo com a reivindicação 9, CARACTERIZADO pelo fato de que o sinal analógico é gerado por um sensor IR.

12. Sistema de sensor de correia, de acordo com a reivindicação 9, CARACTERIZADO pelo fato de que o sinal digital é gerado por um sensor IR.