BRPI0720403A2 - Sensor on-line para o monitoramento de contaminações químicas em fluidos hidráulicos - Google Patents

Sensor on-line para o monitoramento de contaminações químicas em fluidos hidráulicos Download PDF

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BRPI0720403A2
BRPI0720403A2 BRPI0720403-5A BRPI0720403A BRPI0720403A2 BR PI0720403 A2 BRPI0720403 A2 BR PI0720403A2 BR PI0720403 A BRPI0720403 A BR PI0720403A BR PI0720403 A2 BRPI0720403 A2 BR PI0720403A2
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Angelika Krenkow
Wolfgang Legner
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Airbus France
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Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SENSOR ON-LINE PARA O MONITORAMENTO DE CONTAMINAÇÕES QUÍMICAS EM FLUIDOS HIDRÁULICOS".
Descrição
5 A presente invenção refere-se a um sensor on-line para o moni-
toramento de contaminações químicas em fluidos hidráulicos, de acordo com o preâmbulo da reivindicação 1.
Em geral, os fluidos hidráulicos para a aviação são higroscópi- cos. Disto resulta que a vida útil deles é imprevista em alto grau. Uma vez 10 que, toda a instalação hidráulica de uma aeronave é influenciada pela con- dição do fluido hidráulico, a degeneração despercebida do fluido hidráulico tem conseqüências graves, que podem chegar desde danos até a perda total. Os processos, usados até hoje na aviação, para a determinação da condição do fluido hidráulico no sistema hidráulico de uma aeronave são 15 trabalhosos, gastam tempo e são onerosos. Por isto, em geral, o fluido hi- dráulico não é examinado mais que uma vez por ano. Isto contém um alto risco com custos consideráveis, se a vida útil do fluido hidráulico terminar de modo não planejado e, com isto, a operação de vôo precisar ser interrompi- da.
Atualmente é usual que o exame do fluido hidráulico ocorra "off-
line", isto é, em um laboratório após a retirada de amostra. Neste caso, o fluido hidráulico precisa ser puncionado do sistema no ponto de apoio de manutenção, e enviado para um laboratório especializado para análises deste tipo. Os serviços de manutenção só podem, então, ser iniciados de- 25 pois de vários dias de tempo de espera, depois que o resultado tiver retor- nado do laboratório.
Neste caso, os parâmetros que interessam do fluido hidráulico são, em particular, o teor de ácido, uma vez que este parâmetro crítico defi- ne a vida útil. Em particular, devido ao teor de ácido muito alto, é promovida 30 a corrosão do sistema hidráulico, por exemplo, de bombas, de válvulas e tubulações. O teor de ácido é indicado com o coeficiente de neutralização TAN. Além disso, a água dissolvida no fluido hidráulico é um parâmetro im- portante, que reduz a vida útil através da hidrólise. Além disso, a água livre pode destruir e congelar as bombas em virtude da falta de lubrificação, o que pode ter como conseqüência um bloqueio. Um outro parâmetro impor- tante são os gases dissolvidos no fluido hidráulico que, no caso de uma 5 queda de pressão no sistema podem formar bolhas e, devido à cavitação, conduzem a uma perda da força de transmissão do fluido hidráulico. Mais um outro parâmetro decisivo é o teor de cloro, uma vez que as soluções de cloro podem conduzir à corrosão dos componentes de sistema do sistema hidráulico. Além disso, deste modo, podem ocorrer reações eletroquímicas 10 indesejadas. Finalmente, as propriedades elétricas, isto é, a condutibilidade elétrica e a resistência elétrica, são parâmetros, que refletem as múltiplas alterações do fluido hidráulico.
O significado destes parâmetros impressiona, portanto, pelo fato de que ésteres de fosfato, como os que ocorrem no fluido hidráulico para a 15 aviação, são polares e, com isto, tendem a absorver água. Por sua vez, a água dissolvida pode ter como conseqüência a desintegração de moléculas de ésteres de fosfato, a qual ocorre ao longo de três métodos de reação: oxidação, pirólise e hidrólise. Os aditivos formam ácidos fracos de acordo com a seguinte equação:
éster + H2O álcool + -COOH
Os ésteres de fosfato formam ácidos fortes de acordo com a seguinte equação:
H2O -> álcool + H3PO4 A produção de álcool pode, finalmente, causar a formação de bolhas, que podem prejudicar as propriedades de transmissão de força do fluido hidráulico. Por outro lado, moléculas de ácidos de fósforo podem rea- gir com água dissolvida e produzir íons de H3O+ que induzem à corrosão.
Dos motivos mencionados acima, o monitoramento e a observa- ção on-line das alterações dos parâmetros relevantes de um fluido hidráulico para aeronaves são de grande importância.
Do estado da técnica são conhecidos sensores de monitoramen- to para a observação da alteração da condição de fluidos hidráulicos. Deste modo, a patente US 5.071.527 descreve um sensor, que apresenta eletro- dos para a medição das propriedades elétricas de uma amostra do fluido hidráulico a ser observado. Este sensor está ligado com uma unidade de avaliação, que coordena os resultados da medição da condutibilidade elétri- 5 ca a certas condições do fluido hidráulico. Neste caso, a unidade do sensor é tão pequena que ela pode ser empregada tanto off-line como também on- line. Certamente a medição da resistência fornece sozinha somente resulta- dos imprecisos e totalmente insatisfatórios, de tal modo que, neste caso, precisa ser recorrido a exames de laboratório adicionais.
Além disso, a patente US 4.013.953 descreve um sensor óptico
para o monitoramento da condição de fluidos hidráulicos, cuja medição se baseia, em particular, em enfraquecimento e dispersão do raio luminoso vi- sível enviado através de uma amostra do fluido hidráulico a ser monitorado. A unidade de sensor descrita aqui é construída com muito dispêndio e, de- 15 vido às partes móveis contidas nela, também é bem propensa à manuten- ção. Uma vez que a unidade de sensor apresenta um peso de aproximada- mente 1 kg, antes de tudo deverá estar em primeiro plano o emprego off- line.
Por isso, a tarefa da invenção em questão é colocar à disposi- 20 ção um sensor, que está em condições de obter on-line os parâmetros rele- vantes à manutenção de fluidos hidráulicos baseados em ésteres de fosfato, isto é, sem puncionar esses fluidos do sistema hidráulico do avião, e retirar como amostra. Com isto deve ser obtida, em particular, informação sobre a parte de água dissolvida no fluido hidráulico, e sobre o coeficiente de neutra- 25 lização TAN (Total Acid Number) (Coeficiente de Ácido Total).
Esta tarefa é solucionada através das características da reivindi- cação 1. Aperfeiçoamentos e formas de execução vantajosos da invenção estão indicados nas reivindicações dependentes.
O sensor on-line de acordo com a invenção, para o monitora- mento de contaminações químicas em fluidos hidráulicos com uma unidade de recebimento para o fluido a ser monitorado, que apresenta janelas de inspeção, dispostas em dois lados situados opostos, é caracterizado pelo fato de que, o sensor apresenta um emissor de IV (infravermelho) e um de- tector de IV com, pelo menos, dois, de preferência, quatro campos de de- tecção para espectroscopia de IV, que estão dispostos no lado oposto nas duas janelas de inspeção.
5 Com isto, é colocado à disposição um sensor, que está em con-
dições de obter on-line os parâmetros relevantes à manutenção de fluidos hidráulicos baseados em ésteres de fosfato, isto é, sem puncionar esses fluidos do sistema hidráulico do avião, e tomar como amostra. Com o sensor on-line de acordo com a invenção podem ser obtidas, em particular, infor- 10 mações sobre a parte de água dissolvida no fluido hidráulico, e sobre o coe- ficiente de neutralização TAN (Total Acid Number) (Coeficiente de Ácido To- tal).
Em experiências foi descoberto que, durante a passagem atra- vés de fluido hidráulico baseado em ésteres de fosfato, em virtude das osci- 15 lações das moléculas de O-H em tiras de passagem predeterminadas, a ab- sorção de raios de IV fornece a conclusão exata sobre a condição do fluido hidráulico. Assim, em um certo coeficiente de ondas, a absorção de raios de IV se altera de forma definida, dependendo se existem impurezas através de água, álcool ou ácido. Deste modo, também pode ser determinada a parte 20 percentual de impurezas. Além disso, deste modo, pode ser determinado o coeficiente de neutralização TAN.
Em virtude do tamanho de construção pequeno e do reduzido peso do sensor on-line de acordo com a invenção, a medição pode ocorrer on-line, isto é, no sistema hidráulico durante a operação de vôo da aerona- 25 ve, e pode ser repetida em quaisquer intervalos de tempo, por exemplo, dia- riamente. Por meio dos dados obtidos deste modo, podem ser determinadas a condição exata do fluido hidráulico e uma correspondente tendência, e podem ser planejadas estrategicamente atividades de manutenção, por e- xemplo, em conjunto com outras atividades de manutenção previstas.
Uma forma de execução vantajosa do sensor on-line de acordo
com a invenção prevê que, entre uma das janelas de inspeção e o detector de IV esteja previsto um filtro óptico com, pelo menos, dois, de preferência, quatro campos para tiras de passagem de IV, com coeficientes de ondas distintos. Com isto é possível uma avaliação dos resultados de medição qualitativa e quantitativa com base puramente óptica.
Uma forma de execução vantajosa do sensor on-line de acordo 5 com a invenção prevê que as janelas de inspeção sejam fabricadas de vidro de safira. Isto torna possível uma passagem de raios sem dispersão através da amostra do fluido hidráulico.
Uma forma de execução vantajosa do sensor on-line de acordo com a invenção prevê que sejam previstos dispositivos para a avaliação on- Iine dos sinais de medição elétricos do detector de IV. Estes dispositivos podem apresentar uma unidade de computador e uma unidade de memória.
Uma forma de execução vantajosa do sensor on-line de acordo com a invenção prevê que, no dispositivo para a avaliação on-line seja de- positada uma correlação entre a permeabilidade de IV em, pelo menos, dois 15 coeficientes de ondas predefinidos e o teor de água e/ou o teor de álcool no fluido hidráulico. Estes dados são obtidos previamente em experiências e depositados na unidade de memória do dispositivo para a avaliação on-line.
Uma forma de execução vantajosa do sensor on-line de acordo com a invenção prevê que no dispositivo para a avaliação on-line seja depo- 20 sitada uma correlação entre a permeabilidade de IV em, pelo menos, dois coeficientes de ondas predefinidos, e o coeficiente de neutralização TAN. Estes dados são obtidos previamente em experiências, e depositados na unidade de memória do dispositivo para a avaliação on-line.
Uma forma de execução vantajosa do sensor on-line de acordo 25 com a invenção prevê que o filtro óptico apresente, pelo menos, um campo para tiras de passagem de IV com um coeficiente de ondas entre 3300 cm"1 e 3600 cm'1, de preferência, com um coeficiente de ondas de 3500 cm'1. Estas tiras de passagem são particularmente apropriadas para a constata- ção da assimetria dos picos de absorção de O-H em fluidos hidráulicos ba- 30 seados em ésteres de fosfato.
Uma forma de execução vantajosa do sensor on-line de acordo com a invenção prevê que, estejam previstos dispositivos para a medição da passagem da Iuz na faixa visível, de preferência em 400 nm. Isto melhora a força de afirmação da medição de IV na área de forte oxidação. Neste caso, pode ser imaginada uma montagem com um emissor de Iuz e um detector de luz, por exemplo, de um fotodiodo.
Uma forma de execução vantajosa do sensor on-line de acordo
com a invenção prevê que, estejam previstos dispositivos para a medição da temperatura do fluido. Neste caso, um correspondente sensor de temperatu- ra pode ser executado, por exemplo, como elemento térmico.
Uma forma de execução vantajosa do sensor on-line de acordo
com a invenção prevê que, estejam previstos dispositivos para a medição da condutibilidade elétrica do fluido. Isto pode ocorrer por meio de dois eletro- dos. Através da medição da condutividade, do mesmo modo, pode ser de- terminado o teor de água e de ácido do fluido hidráulico. Isto pode ser usado para a verificação dos resultados da medição de IV.
Outras medidas que aperfeiçoam a invenção estão indicadas
nas reivindicações subordinadas, ou são apresentadas em detalhes, a se- guir, com a descrição de um exemplo de execução preferido da invenção, por meio das figuras. São mostrados:
Na figura 1 uma vista esquemática de uma forma de execução vantajosa de um sensor on-line de acordo com a invenção;
Na figura 2 uma vista do emissor da figura 1, ao longo da linha
ll-ll;
Na figura 3 uma vista do detector da figura 1, ao longo da linha
lll-lll; e
Na figura 4 um diagrama que traça a permeabilidade de IV em
diversos coeficientes de ondas.
As figuras mostradas são puramente esquemáticas a título de exemplo, e não estão em escala. Componentes iguais ou semelhantes es- tão dotados do mesmo número de referência. Por motivo de clareza, nas representações as tubulações elétricas e hidráulicas de alimentação e de descarga foram suprimidas.
A figura 1 mostra uma vista esquemática de uma forma de exe- cução vantajosa de um sensor 1 de acordo com a invenção que, em essên- cia, está executado em forma de cilindro, e apresenta, em essência, três grupos de construção. O grupo de construção disposto no meio apresenta um recipiente de teste 4 para a recepção de uma amostra do fluido hidráuli- 5 co a ser monitorado. Neste caso, a amostra abrange somente poucos cm3 do fluido hidráulico. No caso do recipiente de teste 4, trata-se de um recipi- ente de alumínio fino em forma de placa, que nos dois lados frontais é en- volvido por janelas de inspeção 3 de vidro de safira. Nos dois lados da jane- la de inspeção 3 voltados para fora estão dispostos eletrodos 7 em forma de 10 anel. Além disso, na área inferior do recipiente de teste 4 está disposto um sensor de temperatura 8 que, no caso em questão, é executado como ele- mento térmico.
No plano do desenho à esquerda do recipiente de teste 4 está disposto um emissor de IV 2, que na figura 2 está representado como vista ao longo da linha Il-Il na figura 1. Neste caso, o emissor de IV 2 é um emis- sor de IV térmico microprocessado.
No plano do desenho à direita do recipiente de teste 4 está re- presentado um detector de IV 5 em forma de cilindro, com quatro campos de detecção, como também pode ser depreendido da vista da figura 3. No 20 exemplo de execução em questão, o detector de IV 5 é executado como detector de infravermelho térmico, por exemplo, como bolômetro ou termis- tor. Contudo, também pode ser imaginado o emprego de um elemento de CCD especial.
Entre o detector de IV 5 e o recipiente de teste 4 está disposto um filtro óptico 6 com quatro campos com tira de passagem de IV disposta respectivamente, de modo distinto. Os quatro campos do filtro 6 estão dis- postos no sentido horário, e apresentam um campo 9 como campo de refe- rência, um campo 10 para o coeficiente de ondas de 3500 cm'1, um campo
11 para o coeficiente de ondas de 3600 cm'1 e um campo 12 para o coefici- ente de ondas de 3400 cm'1.
Neste caso, o comprimento do trajeto do raio óptico dentro do fluido hidráulico é definido através do intervalo das duas janelas de inspeção 3 de permeáveis ao infravermelho. No exemplo de execução em questão o intervalo é de 0,3 mm.
Devido ao tamanho pequeno e ao reduzido peso do sensor on- line, este pode ser integrado diretamente no sistema hidráulico de uma ae- 5 ronave, por exemplo, nas tubulações. Para a medição on-line, isto é, para a medição no local durante a operação de vôo, o raio infravermelho é enviado do emissor de IV 2 através das janelas de inspeção 3 e da amostra disponí- vel no recipiente de teste 4 do fluido hidráulico, e após a passagem através do filtro é recebido pelo detector de IV 5 com as quatro tiras de passagem 9, 10 10, 11, 12. Neste caso, no exemplo de execução em questão, o comprimen- to de onda da irradiação de IV enviada possui um valor entre 3000 nm e 4000 nm.
Os sinais de medição, isto é, a absorção da irradiação de IV são transformados no detector de IV, e são transmitidos como sinais elétricos a 15 um dispositivo (não mostrado) para a avaliação on-line. Este dispositivo a- presenta, em essência, uma unidade de computador e uma memória de da- dos. Através da comparação dos resultados atuais de medição com os da- dos depositados, pode ser determinado imediatamente se a condição do fluido hidráulico se movimenta em uma área sadia ou se existe um teor mui- 20 to alto de água ou uma formação de ácido.
Adicionalmente, no sensor on-line 1 mostrado nas figuras de 1 a 3 ainda estão dispostos três eletrodos 7, que são usados para uma medição da condutibilidade, a fim de verificar os valores obtidos pela medição de IV. Neste caso, os eletrodos são executados como eletrodos de platina, e são 25 impressos em um substrato de cerâmica. Para evitar efeitos de polarização, os eletrodos são admitidos com uma tensão alternada com uma frequência de 1 kHz. A medição de temperatura com o sensor de temperatura 8 tam- bém pode servir como verificação dos resultados da medição de IV, e con- firmam a eficiência de funcionamento dos sensores de IV.
Graficamente esta avaliação da espectrografia do IV pode ser
representada em um diagrama de acordo com a figura 4. Nele a permeabili- dade de IV é traçada em percentagem para a tira de passagem de IV do coeficiente de ondas de 3500 cm'1 na abscissa, e designada com Tr (3500 cm'1). Na ordenada, as permeabilidades de IV são traçadas em percenta- gem para as tiras de passagem de IV dos coeficientes de ondas de 3600 cm'1 e 3400 cm'1 e são designadas com Tr (3600 cm'1) -Tr (3400 cm'1). A 5 representação leva em conta as assimetrias nas três tiras de passagem dis- tintas, e torna possível uma determinação inequívoca se a condição do flui- do hidráulico está fixada em uma área "sadia" 13, em uma área "não-sadia" ácida 14 ou em uma área "não-sadia" com absorção de água 15.
Em sua execução, a invenção em questão não se restringe ao exemplo de execução preferido, indicado anteriormente. Pelo contrário, po- de ser imaginado um número de variantes, que faz uso da solução apresen- tada mesmo em execuções, em princípio, de outros tipos.
Listagem de Referência
1 sensor on-line 2 emissor de IV 3 janela de inspeção 4 recipiente de teste 5 detector de IV 6 filtro óptico 7 eletrodo 8 sensor de temperatura 9 filtro de referência 10 filtro de 3500 crrf1 11 filtro de 3600 cm'1 12 filtro de 3400 cm'1 13 área sadia 14 área ácida 15 área com absorção de água

Claims (10)

1. Sensor on-line (1) para o monitoramento de contaminações químicas em fluidos hidráulicos, com uma unidade de recebimento (4) para o fluido a ser monitorado, que apresenta janelas de inspeção (3) dispostas em dois lados situados opostos, caracterizado pelo fato de que o sensor on- line (1) apresenta um emissor de IV (2) e um detector de IV (5) com, pelo menos, dois, de preferência, quatro campos de detecção para espectrosco- pia de IV, os quais estão dispostos em lados opostos, nas duas janelas de inspeção (3).
2. Sensor on-line (1) de acordo com a reivindicação 1, caracteri- zado pelo fato de que entre uma das janelas de inspeção (3) e o detector de IV (5) está previsto um filtro óptico (6) com, pelo menos, dois, de preferên- cia, quatro campos (9, 10, 11, 12) para tiras de passagem de IV com coefi- cientes de ondas distintos.
3. Sensor on-line (1) de acordo com a reivindicação 1, caracteri- zado pelo fato de que as janelas de inspeção (3) são fabricadas de vidro de safira.
4. Sensor on-line (1) de acordo com a reivindicação 1, caracteri- zado pelo fato de que estão previstos dispositivos para a avaliação on-line dos sinais de medição elétricos do detector de IV (5).
5. Sensor on-line (1) de acordo com a reivindicação 4, caracteri- zado pelo fato de que no dispositivo para a avaliação on-line é depositada uma correlação entre a permeabilidade de IV em, pelo menos, dois coefici- entes de ondas predefinidos e o teor de água e/ou o teor de álcool no fluido hidráulico.
6. Sensor on-line (1) de acordo com a reivindicação 4, caracteri- zado pelo fato de que no dispositivo para a avaliação on-line é depositada uma correlação entre a permeabilidade de IV em, pelo menos, dois coefici- entes de ondas predefinidos e o coeficiente de neutralização TAN.
7. Sensor on-line (1) de acordo com a reivindicação 1, caracteri- zado pelo fato de que o filtro óptico apresenta, pelo menos, um campo (9,10, 11, 12) para tiras de passagem de IV, com um coeficiente de ondas en- tre 3300 cm'1 e 3600 cm'1, de preferência, com um coeficiente de ondas de 3500 cm'1.
8. Sensor on-line (1) de acordo com a reivindicação 1, caracteri- zado pelo fato de que estão previstos dispositivos de medição para a medi- ção da passagem da Iuz na faixa visível, de preferência, em 400 nm.
9. Sensor on-line (1) de acordo com a reivindicação λ, caracteri- zado pelo fato de que estão previstos dispositivos (8) para a medição da temperatura do fluido hidráulico.
10. Sensor on-line (1) de acordo com a reivindicação 1, caracte- rizado pelo fato de que estão previstos dispositivos (7) para a medição da condutibilidade elétrica do fluido hidráulico.
BRPI0720403-5A 2006-12-18 2007-12-15 Sensor on-line para o monitoramento de contaminações químicas em fluidos hidráulicos BRPI0720403A2 (pt)

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