BRPI0501790B1 - Sistemas com transdutor de posição a fibra óptica e de leitura remota e método de calibração da posição - Google Patents
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Abstract
"transdutor de posição a fibra óptica com material magnetoestrictivo e processo de calibração da posição". transdutor de posição a fibra óptica que compreender um elemento magnético ou eletromagnético, uma ou mais peças de material magnetoestrictivo, sensores a rede de bragg, haste de material não permeável a campos magnéticos, fibra óptica. um ou mais dos ditos sensores está fixado a uma peça de material magnetoestrictivo, que está fixada na haste, e esta só pode se deslocar longitudinalmente. os sensores a rede de bragg têm comprimentos de onda diferentes e estão a mesma fibra óptica o elemento magnético ou eletromagnético compreende pode ser neodímio ferro boro ou ligas metálicas de tb dy fe (térbio, disprósio e ferro), como o tx, o terfenol-d e outros. aplica-se a válvula de controle de vazão em um poço de petróleo. também se refere ao processo de calibração da posição do transdutor.
Description
SISTEMAS COM TRANSDUTOR DE POSIÇÃO A FIBRA ÓPTICA E DE LEITURA
REMOTA E MÉTODO DE CALIBRAÇÃO DA POSIÇÃO
Campo da invenção
A presente invenção refere-se a meios de medir posição de equipamentos para instalações onshore e offshore para fundo de poços. Especificamente se aplica-se a válvulas de controle de fluxo, chamadas de “choke”.
Estado da técnica e fundamentos:
Alguns fabricantes têm desenvolvido comercialmente transdutores de posição a fibra óptica que se baseiam em interferometria ou na intensidade luminosa. No primeiro caso encontra-se o Transdutor de Posição da Fiso, descrito no artigo “Fiso’s White-Light FabryPérot Fiber-Optics Sensors”; Fiso Technologies Inc.. Já o Transdutor de Posição da Philtec, apresentado em “Philtec Fiberoptic Displacements Sensors”, Philtec Inc. 2002, utiliza a medição da intensidade luminosa. Outros dispositivos conhecidos, que não alcançaram estágio comercial, são: o Transdutor baseado em Interferômetro de um braço, descrito por F.Ruan; Y.Zhou; Y.Loy; S.Mei, Ch.Liaw e J.Liu no artigo “A Precision Fiber Optic Displacement Sensor Based on Reciprocai Interferometry”; Optics Communications, N° 176, pp 105 - 112, 2000, e o Transdutor baseado em Prisma Refletor, descrito por Y. Takamatsu; K. Tomota e T. Yamashita em “Fiber-optic Position Sensor; Sensors and Actuators”, N° A21A23,pp 435-437,1990.
Os transdutores que se apoiam na interferometria dependem de um caminho aberto em que a luz sai fora da fibra e é refletida em algum espelho. Isto representa uma fragilidade, já que o espelho pode se deslocar em relação à fibra, levando à necessidade de alinhamento mecânico do feixe de luz e a problemas quanto à limpeza das superfícies ópticas (ponta da fibra e espelho). Além disso, por se tratar de transdutores que devem ser posicionados no fim da fibra, não permitem multiplexação em série.
A forte sensibilidade ao desalinhamento angular da fibra óptica em relação à superfície é uma desvantagem dos transdutores baseados na intensidade luminosa, que ainda exigem uma superfície alvo homogênea à observação visual, apresentando menor exatidão de resultados quando a superfície é menos refletora.
Por outro lado, alguns artigos recentes descrevem o uso de materiais magnetoestrictivos como base para a construção de transdutores de posição. O efeito da magnetoestricção, que ocorre na maioria dos materiais ferromagnéticos, é a variação do comprimento de uma peça sujeita a um campo magnético: o material magnetoestrictivo se
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Já existem várias aplicações desses materiais magnetoestrictivos na construção de dispositivos para a medição de campo magnético e torque, por exemplo, mas até o momento são poucas as que relacionam tais grandezas com a posição. Entre elas estão as patentes JP10253399-A e US6232769-B1, e as que constam nos artigos “Dynamic behavior of Terfenol-D”, de Koshi Kondo; J. of Alloys and Compounds 258 (1997) 56-60; “On the calibration of position sensor based on magnetic delay lines” de E. Hristoforou, H. Chiriac, M. Neagu, V. Karayannis; Sensors and Actuators, A 59 (1997) 89-93; “A coily magnetostrictive delay line arrangement for sensing applications”, de E. Hristoforou, D. Niarchos, H. Chiriac, M. Neagu; Sensors and Actuators A 91 (2001) 91-94 e “New position sensor based on ultra acoustic standing waves in FeSiB amorphous wires”, de H. Chiriac, C.S. Marinescu ; Sensors and Actuators 81 (2000) 174-175. Todas as aplicações citadas acima se baseiam no princípio de propagação de ondas acústicas através de uma haste ou guia de ondas de material magnetoestrictivo. Os elementos sensores são indutivos ou ópticos, e a posição é determinada pela medição de um intervalo de tempo que é relacionado com a posição do elemento emissor, uma bobina ou um elemento magnético ou eletromagnético. Todas requerem um circuito eletrônico próximo ao local de medição e têm uma faixa dinâmica de 30mm até 300mm.
Similarmente, o aparelho de medida de posição da patente US 5821743 é um aparelho que inclui um guia de ondas magnetoestrictivo que se estende através de um campo de medida, e meios para produzir um sinal que represente a posição de um magneto. É dotado de um elemento piezocerâmico.
A patente US5394488, que apresenta um sensor de velocidade, e o artigo “A Magnetostrictive sensor interrogated by fiber gratings for DC-current and Temperature discrimination”, de J. Mora, A. Díez, J.L. Cruz, M.V. Andrés; IEEE Photonics Tech. Letters 12 (2000) 1680-1682, embora não sejam referentes à medição de posição, solucionam os problemas citados de forma correlata à presente invenção, tomando por base o uso conjunto de material magnetoestrictivo e sensores a rede de Bragg.
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Por conterem a informação em seu espectro óptico, os sensores a rede de Bragg fornecem uma medida absoluta e fácil de ser multiplexada, com aplicações onde sistemas de sensoriamento tradicionais têm se mostrado ineficientes. Os valores da variação do comprimento de onda de um sensor a rede de Bragg estão relacionados com variações de temperatura e deformações através da equação: Δλβ/ λβ = Κι ΔΤ + Κ2ε (I) onde λβ é ο valor, em m, do comprimento de onda refletido pelo sensor, ΔΤ é a variação de temperatura, em °C, e representa a deformação sofrida pelo sensor, em m/m, e Ki e K2 são constantes que dependem da montagem específica.
Diversas técnicas têm sido empregadas nos diferentes tipos de transdutores de posição atualmente conhecidos: capacitivos, ópticos, indutivos e a fibra óptica.
A técnica predominante utiliza a indução elétrica como princípio de funcionamento. A principal vantagem deste tipo de transdutor de posição sobre os outros é seu alto grau de robustez, pois devido à ausência de contato físico não há desgaste do elemento sensor. Sua grande vantagem com relação aos anteriores é sua capacidade de trabalhar em condições severas sem alterar seu desempenho em ambiente de umidade e vibrações. Além disso, são suscetíveis a interferências eletromagnéticas.
A tecnologia mais recente apóia-se em fibras ópticas. Trata-se não de uma, mas de várias técnicas que possuem em comum o fato de utilizarem fibras ópticas como guia da luz usada na medição. Dentre estas técnicas está a que se baseia em redes de Bragg, até o momento ainda não aplicada a transdutores de posição.
Uma grande vantagem dos sensores e transdutores a fibra óptica, além de seu bom desempenho e simplicidade de construção, é a ausência de sinais elétricos junto ao ponto de medição, o que toma estes sensores e transdutores totalmente seguros para aplicações em áreas classificadas.
Objeto da invenção:
A presente invenção tem como objetivo desenvolver um transdutor de posição baseado na tecnologia Redes de Bragg em fibra óptica robusto com alta confiabilidade para válvula de controle de vazão no interior de um poço de petróleo.
A invenção tem como objeto um transdutor de posição a fibra óptica para movimentos uniaxiais que se baseia nas propriedades de material magnetoestrictivo e utiliza redes de Bragg como elemento sensor.
Sumário da invenção:
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Desenvolveu-se um sistema de medida de posição a fibra óptica para movimentos uniaxiais baseado em sensores a rede de Bragg e nas propriedades de material magnetoestrictivo. As mudanças na posição relativa entre uma fonte de campo magnético e uma peça de material magnetoestrictivo, à qual se acoplam sensores a rede de Bragg, causam mudanças no tamanho desta peça, o que leva a alterações nos comprimentos de onda refletidos pelos sensores a rede de Bragg. Conhecida a dependência espacial do campo magnético, relacionam-se os comprimentos de onda refletidos pelos sensores ao deslocamento ocorrido. A invenção refere-se também ao processo de calibração Da posição deste mesmo transdutor de posição a fibra óptica.
Assim, é previsto um transdutor de posição a fibra óptica que compreendeos seguintes componentes: —um elemento magnético ou eletromagnético; -pelo menos uma peça de material magnetoestrictivo; —sensores a rede de Bragg; —uma haste de material não permeável a campos magnéticos; — fibra óptica; sendo que:— pelo menos um dos ditos sensores está fixado a uma peça de material magnetoestrictivo;—.pelo menos uma das ditas peças de material magnetoestrictivo está fixada na haste;—e o deslocamento da haste relativamente ao elemento magnético ou eletromagnético está limitado à direção do eixo da haste.
Descrição detalhada da invenção
Detalha-se o transdutor de posição a fibra óptica com material magnetoestrictivo e Redes de Bragg para válvula de controle de fluxo (choke), adequado às instalações onshore e offshore para fundo de poços.
É um transdutor de posição resistente a altas pressões e temperaturas, com alta sensibilidade, simplicidade construtiva, compacto, usando Redes de Bragg em Fibra Óptica (FBG) com material magnetoestrictivo.
O princípio inventivo presente nesta invenção tem por base o deslocamento relativo entre uma fonte de campo magnético e uma peça de material magnetoestrictivo, à qual se acopla um ou mais sensores a rede de Bragg. As mudanças na posição relativa entre a fonte do campo magnético e a peça de material magnetoestrictivo causam deformações nesta peça e, por conseqüência, no sensor a ela acoplado, levando a alterações no comprimento de onda refletido pelo sensor a rede de Bragg. Uma vez que a dependência espacial do campo magnético é conhecida, o comprimento de onda refletido pelo sensor é relacionado com o deslocamento ocorrido.
Como a temperatura é um fator que também pode ocasionar alterações no
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5/12 comprimento de onda de um sensor a rede de Bragg, o dispositivo de acordo com a presente invenção tem como característica a utilização de no mínimo dois sensores a rede de Bragg, de modo a garantir a necessária compensação dos efeitos da temperatura.
As outras características da presente invenção são:
- A atuação do sensor pode ser constituída por um imã permanente e/ou uma aplicação de campo magnético.
- Os sensores a rede de Bragg estão preferencialmente dispostos na mesma fibra óptica. Isto constitui vantagem por sua simplicidade, permitindo dispensar elementos ópticos de conexão, e pela possibilidade de medição de outras grandezas ao longo desta mesma fibra.
A invenção passará a ser descrita a seguir com referência às seguintes figuras:
A figura 1 é um desenho que mostra a configuração básica do transdutor de posição de acordo com a presente invenção. O número 1 desta figura é a atuação do elemento magnético ou eletromagnético.
A figura 2 é um desenho de uma primeira variante da configuração básica do transdutor de posição de acordo com a presente invenção.
A figura 3 é um desenho de uma segunda variante da configuração básica do transdutor de posição de acordo com a presente invenção.
A figura 4 é um desenho que mostra o acoplamento de módulos iguais à segunda variante da configuração básica do transdutor de posição de acordo com a presente invenção.
A figura 5 é um desenho da terceira variante da configuração básica do transdutor de posição de acordo com a presente invenção.
A figura 6 é um desenho que mostra o acoplamento de módulos iguais à terceira variante da configuração básica do transdutor de posição de acordo com a presente invenção.
A figura 7 é um exemplo de gráfico com medidas do comprimento de onda de um dos sensores a rede de Bragg em função da posição, na configuração básica do transdutor de posição de acordo com a presente invenção.
A figura 8 é um exemplo de gráfico mostrando a dependência espacial do campo magnético em uma aplicação da configuração básica do transdutor de posição de acordo a presente invenção.
A figura 9 é um exemplo de gráfico que mostra a dependência espacial do campo magnético em uma aplicação da terceira variante da configuração básica do transdutor de posição de acordo a presente invenção.
A figura 10 é um exemplo de gráfico com medidas do comprimento de onda de um
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6/12 dos sensores a rede de Bragg em função da posição, em uma aplicação da terceira variante da configuração básica do transdutor de posição de acordo com a presente invenção.
A figura 11 é um exemplo de gráfico relacionando a diferença dos comprimentos de onda dos dois sensores a rede de Bragg com a posição, em uma aplicação da terceira variante da configuração básica do transdutor de posição de acordo com a presente invenção.
Um esquema da configuração básica do transdutor de posição de acordo com a presente invenção é mostrado na figura 1. Um elemento magnético ou eletromagnético, doravante denominado de magneto 1, constituído preferencialmente de NdFeB (Neodímio Ferro Boro), e uma haste 4, de material não permeável a campos magnéticos, são alinhados de modo que podem sofrer deslocamento relativo apenas ao longo do eixo definido pela haste 4. Na extremidade da haste 4 está fixada uma peça de material magnetoestrictivo 2, que pode ser constituída, por exemplo, por uma liga metálica de Tb Dy Fe (térbio, disprósio e ferro), como o TX, o Terfenol-D ou outros. O magneto 1 e a extremidade da haste 4 devem estar suficientemente próximos um do outro de modo que os deslocamentos relativos entre eles possam ocasionar variações nas dimensões da peça de material magnetoestrictivo 2, mensuráveis pelo sistema de leitura 6. Os sensores a rede de Bragg 3.1 e 3.2 têm comprimentos de onda diferentes, respectivamente iguais a λι e λ2 , e estão dispostos na mesma fibra óptica 5. Nesta configuração básica da invenção, apresentada na figura 1, apenas um dos sensores a rede de Bragg, 3.1 ou 3.2, está fixado à peça de material magnetoestrictivo 2, sendo indiferente qual dos sensores é o que está fixo, se o primeiro ou o segundo. A forma de fixação pode ser, por exemplo, através de cola à base epóxi ou cianoacrilato, bem como através de qualquer outro meio que possa ser utilizado para acoplar sensores a peças cuja deformação ou variação de temperatura deseja-se medir. Na figura 1, apenas como exemplo, o sensor 3.2 está fixado na peça de material magnetoestrictivo 2, enquanto o sensor 3.1 está livre. Isto significa que o sensor 3.1 só irá sofrer alterações em seu comprimento de onda λι em função de possíveis mudanças de temperatura, enquanto o sensor 3.2, além desse tipo de alteração, irá ter seu comprimento de onda λ2 alterado também ao sofrer deformações acompanhando a expansão ou a contração da peça de material magnetoestrictivo 2 causadas por mudanças no campo magnético.
Na figura 1, apenas como exemplo, o sensor 3.2 foi representado na direção axial, alinhado com o eixo definido pela haste 4. Como um material magnetoestrictivo sofre variações de tamanho em reação às variações do campo magnético no qual está imerso,
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7/12 mantendo, porém, o seu volume constante, o sensor 3.2 fixado à peça de material magnetoestrictivo 2 pode estar alinhado em qualquer direção, desde que esta seja única.
O sistema de leitura 6 envia um feixe de luz através da fibra óptica 5. Ao atingir o sensor 3.1, uma parte da luz incidente é refletida no comprimento de onda λι deste sensor 3.1, enquanto a parte restante da luz é transmitida, chegando ao sensor 3.2. Quando a luz incide sobre o sensor 3.2, ocorre o mesmo processo: parte da luz incidente é refletida no comprimento de onda À2 deste sensor 3.2, e a parte restante da luz é transmitida, seguindo ao longo da fibra óptica 5. A luz refletida por cada um dos sensores 3.1 e 3.2 retoma ao sistema de leitura 6, onde é analisada.
Uma possível configuração para o sistema de leitura 6 contém uma fonte luminosa de banda larga, um acoplador e um sistema de detecção e análise. Como alternativa, o transdutor de posição de acordo com a presente invenção pode operar acoplado a qualquer configuração aplicável para a interrogação de sensores a rede de Bragg.
Quando ocorre um deslocamento relativo entre o magneto 1 e a haste 4, o sistema de leitura 6 irá apresentar uma leitura diferente de À2. Se houver variação de temperatura na região dos sensores 3.1 e 3.2, o sistema de leitura 6 irá apresentar leituras respectivamente diferentes de λι e de À2.
O dispositivo de acordo com a presente invenção é previamente calibrado em relação à temperatura, isto é, são previamente conhecidas as curvas que informam as variações de λι e de À2 com a temperatura. Nesta configuração básica da presente invenção, a calibração prévia é realizada com o sensor 3.2 fixo na peça de material magnetoestrictivo 2, de modo que a curva de calibração para temperatura do sensor 3.2 já incorpora os efeitos da dilatação térmica da peça de material magnetoestrictivo 2. Como na curta distância entre os dois sensores 3.1 e 3.2 não deve existir gradiente de temperatura, a equação (I), aplicada sucessivamente aos sensores 3.1 e 3.2, permite realizar a compensação da temperatura e identificar a parcela da variação de À2 que se deve exclusivamente aos efeitos do campo magnético sobre a peça de material magnetoestrictivo 2.
Os valores que o comprimento de onda À2 vai assumindo em função da posição da haste 4 relativa ao magneto 1, já deduzidos os possíveis efeitos da temperatura, fornecem uma curva de calibração para posição do dispositivo de acordo com a presente invenção, na configuração básica da figura 1.
O gráfico da figura 7 é um exemplo de uma curva de calibração, construída a partir
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8/12 de uma aplicação da configuração básica da presente invenção utilizando-se um magneto 1 inteiriço. O ponto zero da marcação de posição situa-se no magneto 1 próximo da peça de material magnetoestrictivo 2. Este elemento gera um campo magnético como o que é apresentado, em função da distância axial, no gráfico da figura 8. Como nesta aplicação o campo decai ao longo da distância axial, o aumento da distância relativa entre a haste 4 e o magneto 1 ocasiona uma diminuição do tamanho da peça de material magnetoestrictivo 2 na direção axial. Se a temperatura permanecer constante e o sensor 3.2 estiver alinhado na direção axial, como exemplificado no desenho da figura 1, haverá uma redução no valor de À2. É o que mostra a curva da figura 7, já incluída a compensação de temperatura anteriormente descrita.
Para as três variantes da configuração básica da presente invenção descritas a seguir, o percurso da luz é o mesmo descrito anteriormente para a configuração básica da invenção: parte da luz emitida pelo sistema de leitura 6 é refletida pelos sensores 3.1 e 3.2 em seus respectivos comprimentos de onda, λι e À2, retomando ao sistema de leitura 6, onde é analisada.
Na primeira variante da configuração básica da presente invenção, esquematizada na figura 2, a única diferença em relação à configuração básica da figura 1 é que, nesta variante, os dois sensores a rede de Bragg, 3.1 e 3.2, estão fixados na peça de material magnetoestrictivo 2. Nesta configuração da figura 2 os sensores 3.1 e 3.2 devem estar alinhados em direções diferentes, não paralelas. Deste modo, quando ocorre um deslocamento relativo entre o magneto 1 e a haste 4, ambos os sensores 3.1 e 3.2 irão sofrer deformações acompanhando os efeitos magnéticos sobre a peça de material magnetoestrictivo 2, porém distintas. Cada um dos sensores 3.1 e 3.2 irá acompanhar a alteração de tamanho da peça de material magnetoestrictivo 2 na direção em que este sensor,
3.1 ou 3.2, estiver alinhado. Assim, nesta variante desenhada na figura 2, quando ocorre um deslocamento relativo entre magneto 1 e a haste 4, o sistema de leitura 6 irá apresentar, então, leituras respectivamente diferentes de λι e de À2. Se houver variação de temperatura na região dos sensores, o sistema de leitura 6 irá também apresentar variação nas leituras de λι e À2, mas esta variação não segue o mesmo padrão da variação devida à mudança de posição relativa entre o magneto 1 e a haste 4.
As distintas deformações causadas por efeitos magnéticos sobre os sensores 3.1 e
3.2 estão relacionadas pelo volume constante da peça de material magnetoestrictivo 2. Como descrito anteriormente, o dispositivo de acordo com a presente invenção é previamente
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9/12 calibrado em relação à temperatura. Nesta primeira variante (figura 2) da configuração básica do invento, a calibração prévia é realizada com os dois sensores, 3.1 e 3.2, fixos na peça de material magnetoestrictivo 2, de modo que as respectivas curvas de calibração destes sensores para temperatura já incorporam os efeitos da dilatação térmica da peça de material magnetoestrictivo 2. Com os valores dos comprimentos de onda refletidos pelos sensores 3.1 e 3.2, e as informações referentes às deformações sofridas por cada sensor, aplica-se a equação (I) para cada um dos sensores, realizando-se o mesmo processo para compensação dos efeitos da temperatura descrito anteriormente para a configuração básica da presente invenção. Como os comprimentos de onda λι e À2 estão interligados em função do volume da peça de material magnetoestrictivo 2, é indiferente construir a curva de calibração para posição do dispositivo utilizando λι ou À2. Os valores que o comprimento de onda escolhido, λι ou À2, vai assumindo em função da posição da haste 4 relativa ao magneto 1, já deduzidos os possíveis efeitos da temperatura, fornecem uma curva de calibração para posição do dispositivo de acordo com a presente invenção, nesta primeira variante desenhada na figura 2.
Uma segunda variante da configuração básica do dispositivo de acordo com a presente invenção é apresentada na figura 3. Esta variante pode ser vista como resultado do acoplamento de dois módulos iguais à configuração básica da invenção esquematizada na figura 1, pois em vez de usar apenas uma peça de material magnetoestrictivo 2, nesta variante da figura 3 são utilizadas duas peças de material magnetoestrictivo, 2.1 e 2.2, iguais, cada uma delas fixada em uma das extremidades da haste 4. Sobre cada uma das peças de material magnetoestrictivo, 2.1 e 2.2, é fixado um sensor a rede de Bragg, 3.1 ou 3.2, respectivamente. No desenho da figura 3 os sensores 3.1 e 3.2 foram representados na mesma direção, paralelamente à haste 4, apenas como um exemplo de fácil alinhamento. Pode-se orientar os sensores 3.1 e 3.2 em outras direções, distintas entre si, constituindo-se uma escolha mais complexa que não oferece maiores vantagens. O magneto 1 é posicionado paralelamente à haste 4, de modo que o deslocamento relativo entre ambos ocorre apenas na direção definida pela haste 4. Nesta configuração da invenção esquematizada na figura 3 as peças de material magnetoestrictivo 2.1 e 2.2 irão sofrer deformações distintas em função das diferentes posições de cada uma delas em relação ao magneto 1.
Comparada com a configuração básica da presente invenção, apresentada na figura 1, e com a primeira variante, esquematizada na figura 2, esta variante desenhada na figura 3 apresenta a vantagem de permitir uma ampliação da faixa dinâmica, pois uma redução dos
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10/12 efeitos do campo magnético sobre a peça de material magnetoestrictivo 2.1, por exemplo, devido a um grande afastamento entre esta peça e o magneto 1, pode ser compensada pelo aumento de tais efeitos sobre a peça de material magnetoestrictivo 2.2, devido à conseqüente aproximação entre esta outra peça e o magneto 1.
Esta configuração da presente invenção esquematizada na figura 3 também possibilita ampliar ainda mais a faixa dinâmica através do acoplamento de vários módulos iguais a este. Vários sensores a rede de Bragg, com distintos comprimentos de onda, são fixados cada um sobre uma das várias peças de material magnetoestrictivo fixadas espaçadamente ao longo da haste 4, como mostra o desenho da figura 4. As alterações nos comprimentos de onda dos distintos sensores, captadas pelo sistema de leitura 6, fornecem informação sobre o deslocamento relativo entre o magneto 1 e a haste 4. O número de sensores a serem utilizados, as distâncias entre eles e os valores dos seus comprimentos de onda devem ser calculados em função de uma dada aplicação específica. A calibração relativa à posição para este conjunto de vários módulos acoplados será descrita adiante com mais detalhe.
O dispositivo de acordo com a presente invenção é previamente calibrado em relação à temperatura, como anteriormente descrito. Nesta segunda variante da configuração básica do invento, a calibração prévia é realizada com os dois sensores, 3.1 e 3.2, fixados respectivamente nas peças de material magnetoestrictivo 2.1 e 2.2, de modo que as respectivas curvas de calibração destes sensores para temperatura já incorporam os efeitos da dilatação térmica das respectivas peças de material magnetoestrictivo 2.1 e 2.2. Com os valores dos comprimentos de onda refletidos pelos sensores 3.1 e 3.2, e as informações referentes às deformações sofridas por cada sensor, aplica-se à equação (I) para cada um dos sensores. O procedimento para calibração da posição para esta segunda variante do dispositivo será descrito em detalhe mais adiante, juntamente com a descrição relativa à terceira variante do dispositivo de acordo com a presente invenção.
Uma terceira variante da configuração básica do dispositivo de acordo com a presente invenção é apresentada na figura 5. Nesta variante, tanto as peças de material magnetoestrictivo 2.1 e 2.2, como os sensores a rede de Bragg 3.1 e 3.2 estão dispostos nas extremidades da haste 4, da mesma forma descrita anteriormente em relação à segunda variante da configuração básica da presente invenção. Do mesmo modo, o deslocamento relativo entre o magneto 1 e a haste 4 se dá ao longo do eixo definido pela haste 4. No entanto, nesta configuração da figura 4 o magneto 1, que pode ser de formato cilíndrico, por exemplo, tem um furo, de preferência no centro, de modo que ele é atravessado pela haste 4.
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Comparada com uma configuração em que o magneto 1 corre por fora da haste 4, como no esquema da figura 3, a configuração mostrada na figura 5 apresenta a vantagem de proporcionar maior proximidade entre o magneto 1 e as peças de material magnetoestrictivo
2.1 e 2.2, o que intensifica o campo magnético, implicando um aumento da faixa dinâmica. Além disso, de forma análoga à descrita anteriormente para a segunda variante, esta terceira variante da configuração básica da presente invenção, esquematizada na figura 5, também possibilita ampliar ainda mais a faixa dinâmica através do acoplamento de vários módulos iguais a este. A figura 6 mostra o esquema para o acoplamento de módulos iguais à terceira variante da configuração básica da invenção. A calibração relativa à posição para este conjunto de vários módulos acoplados será dada por uma seqüência de curvas de calibração, cada uma das curvas construída para uma dupla de sensores consecutivos, cobrindo-se assim toda a extensão da haste. A construção da curva de calibração para o par de sensores 3.1 e
3.2 será detalhada a seguir.
Nesta terceira variante da configuração básica do invento, a calibração prévia em relação à temperatura é realizada da mesma forma descrita anteriormente para a segunda variante, com os dois sensores, 3.1 e 3.2, fixados respectivamente nas peças de material magnetoestrictivo 2.1 e 2.2, de modo que as respectivas curvas de calibração destes sensores para temperatura já incorporam os efeitos da dilatação térmica das respectivas peças de material magnetoestrictivo 2.1 e 2.2. Com os valores dos comprimentos de onda refletidos pelos sensores 3.1 e 3.2, e as informações referentes às deformações sofridas por cada sensor, aplica-se à equação (I) para cada um dos sensores.
No entanto, a geometria mais complexa do magneto 1 também se traduz em um campo magnético cuja dependência espacial é mais complexa. A figura 9 mostra um gráfico do campo magnético com a distância para uma aplicação desta terceira variante da configuração básica de acordo a presente invenção. No gráfico da figura 10, construído com medidas extraídas da mesma aplicação, pode-se ver que não há uma relação unívoca entre o comprimento de onda de um dos sensores e a posição da haste 4 relativa ao magneto 1. Este problema pode ser solucionado estabelecendo-se uma relação entre a diferença (λι - À2) dos comprimentos de onda dos sensores 3.1 e 3.2, e a posição. Realiza-se, então, um processo iterativo que altera a distância entre os sensores 3.1 e 3.2, com o objetivo de maximizar a faixa dinâmica de posições, mantendo uma relação unívoca entre a diferença dos comprimentos de onda e a posição. Considerar esta diferença entre os comprimentos de onda dos sensores 3.1 e 3.2 traz ainda a vantagem de efetivar a compensação dos possíveis efeitos da temperatura. O gráfico da figura 11, construído a partir da mesma aplicação que informou
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12/12 a construção das figuras 9 e 10, é um exemplo relacionando a diferença dos comprimentos de onda dos sensores 3.1 e 3.2 com a posição, nesta terceira variante da configuração básica de acordo a presente invenção.
Em relação aos transdutores de posição existentes, o invento apresenta inúmeras vantagens propiciadas pela tecnologia da fibra óptica: grande simplicidade de construção, tamanho e peso reduzidos, possibilidade de realizar medições em ambientes agressivos como, por exemplo, a temperaturas elevadas, e a possibilidade de realizar leituras remotas, prescindindo-se de circuitos eletrônicos no ponto de medição. Além disso, ao contrário dos transdutores baseados em indução elétrica, com o presente invento evita-se o uso de cabos e circuitos elétricos junto ao local de medição. Porém, da mesma forma que aqueles transdutores, a presente invenção é capaz de fornecer medidas de grande precisão e confiabilidade, pois devido à ausência de contato físico com a fonte de campo magnético, não há desgaste do elemento sensor.
O dispositivo de acordo com a presente invenção traz ainda outras vantagens em relação aos transdutores a fibra óptica existentes: pode ser facilmente multiplexado, não apresenta problemas com as superfícies, seja quanto à limpeza, seja quanto à sua qualidade refletora, e como a luz permanece dentro da fibra, não há necessidade de alinhamento mecânico.
Claims (16)
- REIVINDICAÇÕES1 Sistemas com transdutor de posição a fibra óptica e de leitura remota que contém um elemento magnético ou eletromagnético, uma peca de material magnetoestrictivo. sensores de Bragg e uma haste de material não permeável a campos magnéticos caracterizado por pelo menos um dos ditos sensores (3.1) ou (3.2) está fixado a uma peça de material magnetoestrictivo (2), pelo menos uma das ditas peças de material magnetoestrictivo (2) está fixada na haste (4), o deslocamento da haste relativamente ao elemento magnético ou eletromagnético (1) está limitado à direção do eixo da haste, e por operar acoplado a um sistema de leitura remota (6) que contém, uma fonte luminosa de banda larga, um acoplador e um sistema de detecção e análise espectral.
- 2 Sistemas com transdutor de posição a fibra óptica e de leitura remota de acordo com as reivindicação 1, caracterizado por utilizar pelo menos dois sensores a rede de Bragg (3.1) e (3.2) que têm comprimentos de onda diferentes.
- 3 Sistemas com transdutor de posição a fibra óptica e de leitura remota de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado por dispor os sensores a rede de Bragg (3.1) e (3.2) preferencialmente na mesma fibra óptica (5).
- 4 Sistemas com transdutor de posição a fibra óptica e de leitura remota de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por operar acoplado a uma configuração aplicável para a interrogação de sensores a rede de Bragg.
- 5 Sistemas com transdutor de posição a fibra óptica e de leitura remota de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado por utilizar apenas uma peça de material magnetoestrictivo (2) com apenas um dos sensores (3.1) ou (3.2) a rede de Bragg fixado sobre ela.
- 6 Sistemas com transdutor de posição a fibra óptica e de leitura remota de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado por utilizar apenas uma peça de material magnetoestrictivo (2) com os dois sensores a rede de Bragg (3.1) e (3.2) fixados sobre a peça, orientados em direções distintas.
- 7 Sistemas com transdutor de posição a fibra óptica e de leitura remota de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado por utilizar cada um dos sensores a rede de Bragg (3.1) e (3.2) fixado em uma peça distinta de material magnetoestrictivo (2).
- 8 Sistemas com transdutor de posição a fibra óptica e de leitura remota de acordo com a reivindicação 8 7, caracterizado por dispor as peças de material magnetoestrictivo (2)Petição 870180140955, de 15/10/2018, pág. 18/24 espacialmente posicionadas ao longo da haste (4) de forma a permitir a identificação unívoca da posição da haste (4) em relação ao elemento magnético ou eletromagnético (1).
- 9 Sistemas com transdutor de posição a fibra óptica e de leitura remota de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o elemento magnético ou eletromagnético (1) é inteiriço e localizado à frente ou ao lado da haste (4),
- 10 Sistemas com transdutor de posição a fibra óptica e de leitura remota de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o elemento magnético ou eletromagnético (1) é vazado, é atravessado pela haste (4).
- 11 Sistemas com transdutor de posição a fibra óptica e de leitura remota de acordo com as reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o elemento magnético ou eletromagnético (1) compreende NdFeB (Neodímio Ferro Boro).
- 12 Sistemas com transdutor de posição a fibra óptica e de leitura remota de acordo com as reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as peças de material magnetoestrictivo (2) compreendem ligas metálicas de Tb Dy Fe (térbio, disprósio e ferro), como o TX, o Terfenol-D e outros
- 13 Sistemas com transdutor de posição a fibra óptica e de leitura remota de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por estar situado no interior de um poço de petróleo.
- 14 Sistemas com transdutor de posição a fibra óptica e de leitura remota de acordo com as reivindicação 44 13, caracterizado por estar situado em uma válvula de controle de vazão.
- 15 Processo Método de calibração da posição do transdutor da reivindicação 1, caracterizado por se realizar a calibração prévia com pelo menos um sensor fixo (3.N) respectivamente em pelo menos uma peça de material magnetoestrictivo (2) de modo que cada curva de calibração para temperatura do sensor já incorpora os efeitos da dilatação térmica da peça de material magnetoestrictivo (2) e com utilização tanto dos valores dos comprimentos de onda refletidos por cada sensor, quanto das informações referentes às deformações sofridas por cada sensor, aplicando-se a equaçãoΔλβ/ λβ = Κι ΔΤ + Κ2ε (equação I) para cada um dos sensores.
- 16 Processo Método de calibração da posição do transdutor da reivindicação 1, caracterizado por ser a calibração realizada usando os valores que um dos comprimentos de onda vai assumindo em função da posição da haste (4) relativa ao magneto (1), já deduzidos os possíveis efeitos da temperatura.
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