BRPI0820316B1 - Sistema de medição subaquático, método para monitorar uma região subaquática e meio legível por computador - Google Patents

Abstract

“sistema de medição subaquático, método para monitorar uma região subaquática e meio legível por computador” a presente invenção proporciona um sistema de medição subaquático (20, 30, 40) para monitorar uma região subaquática (10). o sistema (20, 30, 40) inclui uma montagem de sensor operável para detectar pelo menos uma variável física na região (10) para gerar pelo menos um sinal de sensor correspondente, e uma disposição de processamento de dados (170, 510, 520) para processar o pelo menos um sinal de sensor para gerar dados processados para apresentação e/ou registro. a montagem de sensor (20) inclui um ou mais sensores de tensão (190) configurados para detectar campos elétricos presentes na região subaquática (10) e proporcionar informação no pelo menos um sinal indicativo dos campos elétricos. além disso, a montagem de sensor (20) inclui um ou mais hidrofones (200) operáveis para receber energia sônica gerada na região subaquática (10) e para incluir informação correspondente no pelo menos um sinal de sensor para comunicar à disposição de processamento de dados (170, 510, 520).

Description

"SISTEMA DE MEDIÇÃO SUBAQUÁTICO, MÉTODO PARA MONITORAR UMA REGIÃO SUBAQUÁTICA E MEIO LEGÍVEL POR COMPUTADOR" Campo técnico da invenção [001] A presente invenção se refere a sistemas de medição subaquáticos. Além disso, a invenção se refere a métodos para monitorar regiões subaquáticas usando os sistemas de medição subaquáticos mencionados anteriormente. Além disso, a presente invenção se refere a configurações de sensor para implementar tais métodos.

Adicionalmente, a invenção se refere a meios legíveis por computador transferíveis em portadores de dados e executáveis em hardware de computação para implementar tais métodos.

Descrição do estado da técnica [002] Embarcações subaquáticas tais como submarinos são bem conhecidos. Mais recentemente, mini-submarinos têm sido usados para monitorar populações de peixes como salmões criados em cativeiro e para inspecionar estruturas subaquáticas em exploração de óleo no fundo do mar. Monitoração e inspeção são frequentemente realizadas usando câmeras óticas para capturar imagens de regiões subaquáticas, bem como empregando equipamento sonar ativo para emitir energia sónica e receber reflexões sónicas correspondentes de estruturas subaquáticas.

[003] Contudo, tais métodos de monitoração e inspeção não permitem que certos tipos de defeitos em estruturas sejam detectados, especialmente aqueles de natureza elétrica. Mais recentemente, tem aumentado o uso de cabos subaquáticos para acoplar potência entre redes elétricas separadas por regiões de água, por exemplo, entre o sudeste da Suécia e a ilha dinamarquesa de Sjasslland, bem como através do Canal da Mancha entre a Inglaterra e a França. Além disso, cabos elétricos subaquáticos são empregados para proporcionar energia a equipamentos subaquáticos durante a exploração e extração de óleo e gás. Além disso, conexões de telecomunicações incluindo guias de onda de fibra ótica frequentemente incluem linhas de fornecimento elétrico para proporcionar energia para amplificadores óticos de fibra dopada com érbio (EDFA - do inglês erbium doped fibre optical amplifiers) para proporcionar regeneração periódica de sinais óticos para compensar a atenuação ótica que ocorre ao longo das guias de onda de fibra ótica.

[004] Erguer um cabo subaquático para reparação é, frequentemente, uma operação extremamente cara e existe uma grande necessidade de ser capaz de detectar lugares nos quais os cabos subaquáticos e equipamento elétrico estão potencialmente defeituosos ou desenvolveram falhas. Inspeção ótica frequentemente proporciona uma abordagem inadequada para identificar e localizar defeitos e falhas.

[005] No pedido de patente WO 03/104844 (PCT/US03/18522), descreve-se um sistema para mapear a condutividade elétrica do fundo do mar. O sistema incorpora várias unidades de registro de dados. Cada unidade é uma montagem adaptada para ser posicionada em uma localização no fundo do mar para medir campos elétricos e magnéticos horizontais ali. Um braço rígido substancialmente orientado verticalmente se estende verticalmente da montagem de unidade e inclui um par de eletrodos deslocados verticalmente dispostos sobre o braço para criar uma antena dipolo orientada verticalmente. Os eletrodos do braço estão em comunicação elétrica com um amplificador localizado dentro da montagem que gera um sinal amplificado, que é então proporcionado a um processador de registro de dados também localizado dentro da montagem. 0 processador coleta séries temporais de campo elétrico e sinais magnéticos amplificados ao longo de um período de tempo predeterminado.

[006] Além disso, na patente US 6.867.596, é revelado um método de detecção de colapso em isolamentos e correspondentes falhas à terra em um cabo terrestre enterrado; um sinal de teste é aplicado ao cabo, o sinal sendo detectado usando uma sonda de tensão diferencial colocada em um meio condutor em proximidade ao cabo. A sonda de tensão diferencial gera um sinal recebido que é processado em um circuito de processamento de sinais operável para decompor componentes do sinal recebido correspondendo ao sinal de teste. Os componentes decompostos são então submetidos a uma comparação de fase para determinar uma direção da fuga de corrente associada com a falha à terra.

[007] Ambientes aquáticos hostis podem ser submetidos a consideráveis fluxos de água e outros distúrbios que tornam as técnicas empregadas até aqui inadequadas. Assim, surge um problema técnico desafiante de detectar curtos-circuitos em ambientes aquáticos hostis.

[008] Uma maneira padrão de testar falhas na conexão terra em redes de distribuição de potência é realizar um teste de isolamento utilizando megômetro. Quando se implementa a utilização do megômetro, um sinal de alto potencial é aplicado a um condutor rodeado por um isolante e uma resistência do isolante é medida em resposta ao sinal que está sendo aplicado. A realização de testes utilizando megômetro não é factível em uma situação para detectar uma falha à terra em um enrolamento secundário eletricamente flutuante de um transformador subaquático. Não é conhecido nenhum método contemporâneo que seja capaz de detectar uma falha à terra associada com tal enrolamento secundário de um transformador subaquático sem que instrumentação especial seja construída no transformador para detectar a ocorrência de quaisquer tais falhas. Esta instrumentação especial é suscetível de aumentar a complexidade e o custo da instalação e não representa uma solução ótima. A transmissão de um sinal de teste em um circuito de transformador não é satisfatória quando o lado secundário do transformador é posicionado no leito do mar e em operação.

Sumário da invenção [009] Um objetivo da presente invenção é proporcionar um sistema operável para detectar curtos-circuitos em uma região subaquática.

[0010] Um objetivo adicional da invenção é proporcionar um método de uso do sistema para detectar curtos-circuitos na região subaquática.

[0011] De acordo com um primeiro aspecto da invenção, é proporcionado um sistema de medição subaquático como reivindicado na reivindicação 1: é proporcionado um sistema de medição subaquático para monitorar uma região subaquática, o sistema incluindo uma montagem de sensor operável para detectar pelo menos uma variável fisica na região para gerar pelo menos um sinal de sensor correspondente, e uma disposição de processamento de dados para processar o pelo menos um sinal de sensor para gerar dados processados para apresentação e/ou registro, caracterizado pelo fato de que a montagem de sensor inclui um ou mais sensores de tensão configurados para detectar campos elétricos presentes na região subaquática e proporcionar informação no pelo menos um sinal indicativo dos campos elétricos, e a montagem de sensor inclui um ou mais hidrofones operáveis para receber energia sónica gerada na região subaquática e para incluir informação correspondente no pelo menos um sinal de sensor para comunicar à disposição de processamento de dados.

[0012] A invenção é vantajosa porque os sensores de tensão são capazes de detectar campos elétricos gerados por curtos-circuitos na região subaquática, e um ou mais hidrofones são capazes de detectar correspondentes sinais acústicos correspondendo a tais falhas, permitindo, assim, que as falhas sejam identificadas mais confiavelmente e precisamente.

[0013] O uso de hidrofones é capaz de proporcionar sinais confirmatórios que permitem que uma ou mais falhas sejam identificadas com maior certeza.

[0014] Opcionalmente, no sistema de medição subaquático, um ou mais hidrofones estão configurados comum arranjo de hidrofones cuja caracteristica de detecção sónica em operação tem uma ou mais direções preferidas de sensibilidade para permitir que uma direção de uma fonte de energia sónica seja determinada. Tais direções preferidas de sensibilidade permitem que ruídos falsos surgindo de outras direções sejam seletivamente excluídos das medições usando o sistema. Mais opcionalmente, um ou mais hidrofones constituem, em operação, uma disposição em fase de hidrofones cujas caracteristicas de sensibilidade polar são eletronicamente direcionáveis a partir da disposição de processamento de dados.

[0015] Opcionalmente, no sistema de medição subaquático, um ou mais sensores de tensão são implementados como um ou mais pares de eletrodos operáveis para proporcionar uma medição de tensão diferencial na região. O emprego de tal medição de tensão diferencial permite que uma magnitude de campo elétrico seja detectada, removendo, assim, qualquer compensação de tensão estática que pode potencialmente influenciar um ou mais pares de eletrodos.

[0016] Mais opcionalmente, um ou mais pares de eletrodos são dispostos para proporcionar medições de diferencial de potencial em uma pluralidade de direções mutuamente ortogonais. Tal caracteristica de medição permite que uma direção espacial de uma falha elétrica seja identificada usando o sistema.

[0017] Mais opcionalmente, um ou mais pares de eletrodos são fabricados de um material inerte que não é quimicamente reativo com água salgada. Tal inércia dos eletrodos ajuda a evitar a geração de sinais falsos como um resultado de reações químicas de eletrodos com fluido presente na região subaquática.

[0018] Ainda mais opcionalmente, um ou mais pares de eletrodos são fabricados de fibra de carbono ou grafite. Mais opcionalmente, a fibra de carbono ou grafite é porosa a fluidos presentes na região subaquática.

[0019] Opcionalmente, um ou mais pares de eletrodos são implementados tal que seus eletrodos são proporcionados com blindagens de fluxo incluindo orifícios de acesso que permitem que os eletrodos se acoplem eletricamente à região subaquática enquanto se reduz uma velocidade do fluxo de água sobre os eletrodos quando em operação.

[0020] Opcionalmente, no sistema de medição subaquático, a disposição de processamento de dados é operável para analisar o pelo menos um sinal de sensor para determinar uma direção em que um campo elétrico a uma dada frequência de sinal é orientado para ajudar a determinar uma localização de uma fonte do campo elétrico dentro da região subaquática. Tal análise de direção permite que uma localização de uma falha elétrica seja identificada mais rapidamente e com maior certeza.

[0021] Opcionalmente, no sistema de medição subaquático, a montagem de sensor inclui um ou mais sensores químicos operáveis para detectar um ou mais componentes ou espécies químicas presentes na região subaquática e para incluir informação correspondente no pelo menos um sinal de sensor para comunicar à disposição de processamento de dados, a informação sendo indicativa de um ou mais componentes ou espécies químicas detectadas. Espécies químicas detectadas presentes na região subaquática são suscetíveis a permitir que certos tipos de falhas subaquáticas sejam detectadas em sinergia a um grau maior de certeza.

[0022] Opcionalmente, no sistema de medição subaquático, a disposição de processamento de dados é operável para calcular um ou mais espectros de frequência representativos do pelo menos um sinal de sensor, e para mostrar e/ou registrar um ou mais espectros de frequência. Mais opcionalmente, a disposição de processamento de dados é operável para comparar um ou mais espectros de frequência com um ou mais modelos espectrais para identificar um ou mais eventos ocorrendo na região subaquática. Opcionalmente, a disposição de processamento de dados é operável para comparar um ou mais harmónicos de um ou mais sinais gerados por um ou mais hidrofones contra um ou mais harmónicos de um ou mais sinais gerados por um ou mais sensores de tensão, para identificar diferenças entre os mesmos para caracterizar a região subaquática. Opcionalmente, a disposição de processamento de dados é operável para comparar um ou mais sinais de sensor e/ou um ou mais espectros de frequência com um ou mais limites para identificar a ocorrência de um ou mais eventos na região subaquática.

[0023] Opcionalmente, no sistema de medição subaquático, a montagem de sensor inclui um sensor inercial para determinar uma orientação e/ou posição da montagem de sensor, o sensor inercial sendo acoplado em comunicação com a disposição de processamento de dados. Detectando uma posição inercial da montagem de sensor e usando sinais de sensor gerados pela montagem de sensor para manobrar a montagem de sensor em uma vizinhança de uma falha elétrica, a localização espacial da falha é suscetível de ser determinada precisamente a partir de uma posição eventual da sonda adjacente à falha.

[0024] Opcionalmente, o sistema de medição subaquático é adaptado para executar a detecção passiva de um ou mais curtos-circuitos na região subaquática.

[0025] Opcionalmente, quando o sistema de medição subaquático é implementado, a montagem de sensor é montada sobre uma montagem de sonda subaquática acoplada por meio de uma conexão de comunicação ao hardware de computação. Mais opcionalmente, a conexão de comunicação é uma conexão umbilical flexível que permite que a montagem de sonda seja manobrada dentro da região subaquática.

[0026] Opcionalmente, no sistema de medição subaquático, a disposição de processamento de dados é distribuída entre a montagem de sonda e o hardware de computação.

[0027] De acordo com um segundo aspecto da invenção, é proporcionado um método como reivindicado na reivindicação 20: é proporcionado um método para monitorar uma região subaquática usando um sistema de medição subaquático, o sistema incluindo uma montagem de sensor acoplada em comunicação com uma disposição de processamento de dados, caracterizado pelo fato de que o método inclui: (a) usar um ou mais sensores de tensão da montagem de sensor para detectar campos elétricos presentes na região subaquática para gerar pelo menos um sinal de sensor incluindo informação indicativa dos campos elétricos; (b) usar um ou mais hidrofones da montagem de sensor para receber energia sónica gerada na região subaquática e para incluir informação correspondente no pelo menos um sinal de sensor para comunicar a disposição de processamento de dados, e (c) processar o pelo menos um sinal de sensor na disposição de processamento de dados para permitir a monitoração da região subaquática.

Opcionalmente, quando o método é executado, um ou mais hidrofones estão configurados como uma disposição de hidrofones cuja caracteristica de detecção sónica em operação tem uma ou mais direções preferidas de sensibilidade para permitir que uma direção de uma fonte de energia sónica seja determinada.

[0028] Mais opcionalmente, o método inclui as etapas de: (a) usar um ou mais hidrofones como uma disposição em fase de hidrofones; e (b) direcionar eletronicamente características de sensibilidade polar da disposição em fase da disposição de processamento de dados.

[0029] Opcionalmente, quando o método é implementado, um ou mais sensores de tensão são implementados como um ou mais pares de eletrodos operáveis para proporcionar uma medição de tensão diferencial na região. Mais opcionalmente, o método inclui uma etapa de proporcionar medições diferenciais em uma pluralidade de direções mutuamente ortogonais usando um ou mais pares de eletrodos.

[0030] Opcionalmente, o método inclui uma etapa de fabricar um ou mais pares de eletrodos a partir de um material inerte que não é quimicamente reativo com água salgada. Mais opcionalmente, um ou mais pares de eletrodos são fabricados de fibra de carbono ou grafite.

[0031] Opcionalmente, quando o método é implementado, um ou mais pares de eletrodos são implementados tal que seus eletrodos são proporcionados com blindagens de fluxo incluindo orifícios de acesso que permitem que os eletrodos se acoplem eletricamente à região subaquática enquanto que reduz uma velocidade do fluxo de água sobre os eletrodos quando em operação.

[0032] Opcionalmente, o método inclui uma etapa de usar a disposição de processamento de dados para analisar o pelo menos um sinal de sensor para determinar uma direção em que um campo elétrico a uma dada frequência de sinal é orientado para ajudar a determinar uma localização de uma fonte do campo elétrico dentro da região subaquática.

[0033] Opcionalmente, o método inclui as etapas de: (a) detectar, usando um ou mais sensores químicos incluídos no sistema de medição subaquático, um ou mais componentes ou espécies químicas presentes na região subaquática; e (b) incluir informação correspondente no pelo menos um sinal de sensor para comunicar à disposição de processamento de dados, a informação sendo indicativa de um ou mais químicos ou espécies químicas detectadas.

Opcionalmente, o método inclui as etapas de: (a) usar a disposição de processamento de dados para calcular um ou mais espectros de frequência representativos do pelo menos um sinal de sensor, e (b) mostrar e/ou registrar um ou mais espectros de frequência.

[0034] Mais opcionalmente, o método inclui uma etapa de comparar, na disposição de processamento de dados, um ou mais harmónicos de um ou mais sinais gerados por um ou mais hidrofones em relação a um ou mais harmónicos de um ou mais sinais gerados por um ou mais sensores de tensão, para identificar diferenças entre os mesmos para caracterizar a região subaquática.

[0035] Mais opcionalmente, o método inclui uma etapa de comparar um ou mais sinais gerados por um ou mais hidrofones contra um ou mais sinais gerados por um ou mais sensores de tensão, para monitorar o deslizamento que ocorre em uma ou mais máquinas de indução de rotação.

[0036] Mais opcionalmente, o método inclui uma etapa de usar a disposição de processamento de dados para comparar um ou mais espectros de frequência com um ou mais modelos espectrais para identificar um ou mais eventos que ocorrem na região subaquática. Mais opcionalmente, o método inclui uma etapa de comparar, usando a disposição de processamento de dados, um ou mais sinais de sensor e/ou um ou mais espectros de frequência com um ou mais limites para identificar a ocorrência de um ou mais eventos na região subaquática.

[0037] Opcionalmente, o método inclui uma etapa de usar um sensor inercial da montagem de sensor para determinar uma orientação e/ou posição da montagem de sensor, o sensor inercial sendo acoplado em comunicação com a disposição de processamento de dados.

[0038] Opcionalmente, o método é adaptado para executar a detecção passiva de um ou mais curtos-circuitos na região subaquática.

[0039] De acordo com um terceiro aspecto da invenção, meio legível por computador registrado em um portador de dados é proporcionado, meio legível sendo executável em hardware de computação para implementar um método de acordo com o segundo aspecto da invenção.

[0040] De acordo com um quarto aspecto da presente invenção, é proporcionado um sistema de medição subaquático para monitorar uma região subaquática, o sistema incluindo uma montagem de sensor operável para detectar pelo menos uma variável física na região para gerar pelo menos um sinal de sensor correspondente, e uma disposição de processamento de dados para processar o pelo menos um sinal de sensor para gerar dados processados para apresentação e/ou registro, caracterizado pelo fato de que a montagem de sensor inclui um ou mais sensores de tensão configurados para detectar campos elétricos presentes na região subaquática e proporcionar informação no pelo menos um sinal indicativo dos campos elétricos.

[0041] A invenção é vantajosa porque os sensores de tensão são capazes de detectar campos elétricos gerados pelos curtos-circuitos na região subaquática. Opcionalmente, no sistema de medição subaquático, um ou mais pares de eletrodos são implementados tal que seus eletrodos são proporcionados com blindagens de fluxo incluindo orifícios de acesso que permitem que os eletrodos se acoplem eletricamente à região subaquática, enquanto se reduz uma velocidade do fluxo de água sobre os eletrodos quando em operação. O uso das blindagens de fluxo é capaz de reduzir sinais falsos sendo gerados em um ou mais pares de eletrodos como um resultado de fluidos presentes na região subaquática circulando sobre os eletrodos, melhorando, assim, a qualidade de medição por redução de fontes de ruídos falsos.

[0042] Opcionalmente, para reduzir a interferência externa e obter, assim, uma qualidade melhorada de detecção usando o sistema de medição subaquático, a disposição de processamento de dados é distribuída entre a sonda e o hardware de computação. A digitalização de sinais e execução preliminar do processamento dos sinais próximos a montagem de sensor é capaz de melhorar a robustez do sistema em relação à interferência e um risco de perda do conteúdo de informação em um ou mais sinais.

[0043] De acordo com um quinto aspecto da invenção, é proporcionado um método para monitorar uma região subaquática usando um sistema de medição subaquático, o sistema incluindo uma montagem de sensor acoplada em comunicação com uma disposição de processamento de dados, caracterizado pelo fato de que o método inclui as etapas de: (a) usar um ou mais sensores de tensão da montagem de sensor para detectar campos elétricos presentes na região subaquática para gerar pelo menos um sinal de sensor incluindo informação indicativa dos campos elétricos, e (b) processar o pelo menos um sinal de sensor na disposição de processamento de dados para permitir a monitoração da região subaquática.

[0044] Caracteristicas da invenção são suscetíveis de ser combinadas em qualquer combinação sem se afastar do escopo da invenção como definida pelas reivindicações.

Descrição dos diagramas [0045] Modalidades da presente invenção serão descritas agora, por meio de exemplo somente, com referência aos seguintes diagramas em que: A figura 1 (FIG. 1) é uma ilustração de um sistema de medição subaquático de acordo com a presente invenção em um ambiente aquático em uma região de uma instalação elétrica subaquática; A figura 2 (FIG. 2) é uma ilustração esquemática de uma montagem de sonda subaquática do sistema mostrado na figura 1;

As figuras 3 e 4 (FIG. 3, FIG. 4) são ilustrações de uma implementação da montagem de sonda da figura 2; A figura 5 (FIG. 5) é uma disposição de sensor elétrico empregado na montagem de sonda nas figuras 3 e 4; A figura 6 (FIG. 6) é uma ilustração em uma vista em corte transversal parcial de um sensor elétrico da disposição de sensor elétrico da figura 5; A figura 7 (FIG. 7) é uma ilustração esquemática de uma disposição de processamento de dados para uso com a montagem de sonda subaquática da figura 2; A figura 8 (FIG. 8) é um fluxograma representando operações de processamento de dados realizadas no sistema de medição subaquático; A figura 9 (FIG. 9) é um gráfico ilustrando os componentes harmónicos de sinais obtidos usando o sistema de medição subaquático da figura 1, e A figura 10 (FIG. 10) é uma ilustração de um registro temporal de sinais gerados pelo sistema de medição subaquático da figura 1.

[0046] Nos diagramas, um número sublinhado é empregado para representar um item sobre o qual o número sublinhado está posicionado ou um item ao que o número sublinhado está adjacente. Um número não sublinhado se refere a um item identificado por uma linha ligando o número não sublinhado ao item. Quando um número não está sublinhado e está acompanhado por uma seta associada, o número não sublinhado é usado para identificar um item geral ao qual a seta está apontando.

Descrição de modalidades da invenção [0047] Em conexão com operações implementadas em um ambiente marinho onde o fornecimento de energia elétrica é necessário, por exemplo, para operar bombas elétricas e similares, uma ruptura ou outra falha no fornecimento elétrico pode resultar em uma situação critica ou dano em tais operações. É vantajoso ter um aparelho disponível para detectar e avisar antecipadamente as falhas potenciais em um ponto de tempo precoce para evitar as consequências de falhas eventuais e danos associados. Na produção de óleo e gás, onde a distribuição de potência de alto potencial é essencial, em vista de uma magnitude de fluxos de potência elétrica que ocorrem, a segurança é de primordial importância. Em situações em que o equipamento é instalado sobre o fundo do mar, por exemplo, em profundidades de muitos quilómetros, é impossível empregar a tecnologia de inspeção convencional para identificar falhas potenciais. Consequências de fugas de corrente elétrica são mais graves que sistemas baseados em terra, porque a fuga elétrica em ambientes elétricos condutores subaquáticos é suscetível de provocar um curto-circuito em toda as instalações elétricas.

[0048] Em uma visão geral, a presente invenção se refere a um sistema de medição subaquático operável para realizar medições passivas. Tal operação é benéfica em que não é necessário empregar um sinal de teste especialmente adaptado como requerido em sistemas conhecidos. O sistema emprega uma montagem de sonda operativamente subaquática compreendendo: (a) uma disposição de sensores elétricos configurados para medir campos elétricos em uma pluralidade de direções mutuamente ortogonais, e (b) uma disposição de hidrofones para escutar passivamente emissões sonares (acústicas), os hidrofones sendo orientados em uma pluralidade de direções para determinar uma direção em que energia sónica (acústica) é emitida.

[0049] Além disso, o sistema inclui uma disposição de processador de dados acoplada à montagem de sonda subaquática para receber sinais da montagem de sonda, para processar os sinais recebidos, e apresentar resultados processados derivados dos sinais recebidos a um ou mais usuários do sistema e/ou armazenar os resultados processados para uso posterior. Vantajosamente, o sistema é opcionalmente operável para associar em sinergia a informação derivada do arranjo de sensores elétricos e o arranjo de hidrofones para identificar mais precisamente uma localização espacial de uma falha subaquática e/ou uma natureza da falha subaquática. Por conta de sua natureza passiva, o uso do sistema não requer a operação de uma estrutura sendo investigada tendo que ser interrompida ou perturbada, por exemplo, para receber um sinal de teste.

[0050] Em outras palavras, a presente invenção se refere a um monitor de condição elétrica subaquático passivo para detectar, localizar e caracterizar falhas em estruturas subaquáticas detectando sinais elétricos artificiais gerados por tais estruturas. Por sinais elétricos artificiais, deve-se entender que significa sinais elétricos que não são de uma fonte natural; em ambientes subaquáticos, também estão presentes sinais elétricos que derivam de fontes naturais tais como a Terra, seus oceanos e sua atmosfera.

[0051] Referindo à figura 1, é mostrado um ambiente compreendendo uma região acima da água 15 e uma região subaquática 10. Um sistema de acordo com a presente invenção inclui uma montagem de sonda subaquática 20 operativa na região 10 e acoplada por meio de uma ou mais conexões flexíveis 30 a uma disposição de processamento de dados 40 operativa na região 15. É mostrado um motor elétrico subaquático 50, por exemplo, uma bomba de circulação de lodo de uma instalação de produção de óleo ou gás. O motor 50 é um motor de indução trifásico tendo três fases elétricas denotadas por 60a, 60b, 60c. Além disso, as três fases 60a, 60b, 60c são acopladas por meio de uma carcaça de cabo blindado 7 0 a um conversor de frequência 80 de modo que: (a) o motor 50 é proporcionado com seu fornecimento trifásico a uma frequência de F2, e (b) o conversor de frequência 80 é proporcionado com um fornecimento trifásico a uma frequência de Fl a partir uma disposição de enrolamento secundário de um transformador 100 proporcionado ao conversor 80 em uma carcaça de cabo blindado 90.

[0052] Uma disposição de enrolamento primário do transformador 100 é acoplada a uma fonte de potência trifásica situada na região 15.

[0053] Em operação, quando o motor 50 é acoplado em seu fornecimento trifásico 60a, 60b, 60c e em operação, a montagem de sonda subaquática 2 0 é movida na água na vizinhança de um lado exterior do motor 50, as carcaças 70, 90, o conversor de frequência 80 e o transformador 100 para detectar campos elétricos presentes na água e energia sónica (acústica) transportada através da água e gerar correspondentes sinais de medição elétricos e sónicos E, S respectivamente. A montagem de sonda subaquática 20 em cooperação com sua disposição de processamento de dados 40 é operável para processar continuamente os sinais de medição elétricos e sónicos E, S em tempo real para gerar dados processados para apresentação e/ou para armazenamento em memórias de dados para gerar um registro. Tal processamento contínuo inclui, por exemplo: (a) determinar um espectro de frequência H de um ou mais dos sinais de medição E, S; (b) uma correlação de um ou mais dos espectros de frequência H de um ou mais dos sinais de medição elétricos E com um modelo de espectro de frequência TE de sinais de medição de exemplo correspondendo a várias categorias de falhas; (c) uma correlação de um ou mais dos espectros de frequência H de um ou mais sinais de medição sónicos S com um modelo de espectro de frequência Ts de sinais de medição de exemplo correspondendo a várias categorias de falhas, e/ou (d) uma correlação de ambos um ou mais dos espectros de frequência H dos sinais de medição elétricos E e um ou mais dos espectros de frequência H dos sinais de medição sónicos S para identificar em sinergia certas categorias de falhas, por exemplo, com referência a um ou mais modelos de correlação sónica-elétrica Tes correspondendo a várias categorias de falhas.

[0054] Neste caso, "correlação" deve ser interpretada amplamente como significando quaisquer técnicas de comparação, por exemplo, correlação matemática bem como outras abordagens para comparar sinais tais como redes neurais e algoritmos de base de regras.

[0055] Referindo a seguir à figura 2, é mostrada uma ilustração esquemática da montagem de sonda subaquática indicada geralmente por 20. A montagem de sonda 20 inclui uma carcaça 150 sobre a qual uma disposição de sensor elétrico 190a, 190b, 190c é montada. Além disso, uma disposição de sensor de hidrofone 200a a 200n também é montada na carcaça 150. A carcaça 150 inclui uma unidade de interface 160 para receber sinais de controle e potência da disposição de processamento 40 na região 15, e para enviar por meio de sinais de medição da montagem de sonda 20 à disposição de processamento 40. A carcaça 150 ademais inclui um processador de sinal digital (DSP - do inglês digital signal processor) 170 incluindo hardware de processamento e memórias de dados local. A disposição de sensor elétrico 190a, 190b, 190c é acoplada por meio de amplificadores de baixo ruido 180a, 180b, 180c, respectivamente, a entradas de amostragem do sinal do processador de sinal digital 170; os amplificadores de baixo ruido 180a, 180b, 180c proporcionam amplificação de sinal, por exemplo, em um intervalo de 60 dB a 90 dB, que é individualmente ajustável sob controle, como denotado por 185, do processador de sinal digital 170. Além disso, a disposição de sensor de hidrofone 200a a 200n é acoplada por meio de amplificadores 210a a 210n, respectivamente, a entradas de amostragem do sinal do processador de sinal digital 170. O processador de sinal digital 170 é acoplado para proporcionar dados à unidade de interface 160 que é, por sua vez, acoplada à uma ou mais conexões flexíveis 30, por exemplo, implementadas como uma montagem de cabo flexível umbilical blindada alongada.

[0056] Em operação, sinais elétricos e sónicos detectados pela disposição de sensor elétrico 190a, 190b, 190c e a disposição de sensor de hidrofone 200a a 200n são amplificados, convertidos de forma analógica a digital, e então transmitidos continuamente como dados correspondentes por meio da unidade de interface 160 por meio de uma ou mais conexões flexíveis 30. A unidade de interface 160 é vantajosamente operável para receber um fornecimento de corrente alternada de 230 volts para fornecer energia à montagem de sonda 20. Sinais são comunicados entre a montagem de sonda 2 0 e a disposição de processamento de dados 40 por meio de um par de cabos torcidos incluídos em uma ou mais conexões flexíveis 30; o cabo torcido transportando fluxo de dados formato Ethernet bidirecional.

[0057] A disposição de sensor elétrico 190a, 190b, 190c é operável para ser capaz de detectar gradientes potenciais, a saber, campos elétricos, correspondendo a uma ordem de magnitude de nV/metro ou superior. A fim de medir tais gradientes potenciais, a disposição 190a, 190b, 190c emprega uma técnica de medição diferencial nos eixos ortogonais x, y, z como ilustrado na figura 5. A disposição 190a, 190b, 190c inclui três pares de eletrodos 195 dispostos ao longo dos eixos x, y, z; a saber, um primeiro par 190a de eletrodos 195 orientado ao longo do eixo y, um segundo par 190b de eletrodos 195 orientado ao longo do eixo x, e um terceiro par 190c de eletrodos 190c orientado ao longo do eixo z. Os próprios eletrodos 195 são de construção muito especial que será elucidada em mais detalhes posteriormente com referência à figura 6.

[0058] A disposição de sensor de hidrofone 200a a 200n inclui hidrofones incluindo transdutores piezelétricos, eletromagnéticos e/ou condensadores. Hidrofones da disposição de sensor de hidrofone 200a a 200n são dispostos em várias orientações na montagem de sonda 2 0 de modo a proporcionar mutuamente diferentes respostas polares para energia sonar recebida na montagem de sonda 20. Por exemplo, a disposição de sensor de hidrofone 200a a 200b em cooperação com o processador de sinal digital 170 é suscetível de funcionar comum arranjo de sonar guiável proporcionando uma caracteristica de sensibilidade polar que é direcionalmente guiável por mudança de fase seletivamente e amplificando sinais proporcionados dos hidrofones.

[0059] Referindo às figuras 3 e 4 em combinação, uma implementação da montagem de sonda 20 é mostrada em mais detalhe. A montagem de sonda 20 inclui uma armação estrutural compreendendo quatro componentes tubulares alongados robustos 250 suportando uma armação protetora de componentes tubulares alongados mais delgados 260. Os componentes tubulares 250, 260 se estendem de uma parte superior da montagem de sonda 20, nos quais estão unidas a um anel superior, a uma base 270 da montagem de sonda 20. A montagem de sonda 20 é abaixada mecanicamente na água para uma medição acoplando um guincho substancialmente em uma região do anel superior. A base 270 inclui uma rede tronco-cônica de modo que partes delicadas da montagem de sonda 20 são blindadas mecanicamente de danos em um evento que a montagem de sonda 2 0 contate o fundo do mar. Além disso, os componentes tubulares 250, 260 definem um volume interno até a montagem de sonda 20 incluindo um cabo subaquático 300 terminado, em uma extremidade, em um primeiro conector subaquático 310, e, na outra extremidade, a um segundo conector subaquático 305 associado com a primeira e segunda carcaças tubulares impermeáveis 280, 290 para alojar os amplificadores 180, 210, o processador de sinal digital 170 e a unidade de interface 160. Será visto que a montagem de hidrofone 200a a 200j é disposta em diagonal e para cima, dirigida para os grupos de hidrofones. A montagem de sonda 20 inclui dutos impermeáveis interconectáveis tubulares para transportar sinais dos hidrofones e os pares de eletrodos 190a, 190b, 190c até as carcaças 280, 290.

[0060] Referindo-se à figura 6, uma construção física de um dos eletrodos 195 é ilustrada. É conhecido que, quando são feitas medições de potenciais na água incluindo sais condutores compreendendo cátions e ânions, aqueles eletro-potenciais com eletrodos são suscetíveis de surgir. Estes eletro-potenciais surgem próximos à superfície de um eletrodo por uma ou mais das seguintes razões: (a) uma alta densidade eletrónica existente no material do eletrodo em comparação com a água salgada ao redor do eletrodo causa uma difusão de elétrons da superfície do eletrodo uns poucos nanômetros na água salgada por meio de incerteza de posição de elétron e tunelamento de elétrons associados de acordo com o princípio da incerteza de Heisenberg, fazendo com que, deste modo, um efeito semelhante a um capacitor seja criado com sua barreira de energia associada, e (b) uma reação química local ocorre no eletrodo com cátions e ânions presentes na água salgada criando uma barreira de energia.

[0061] Tem sido costumeiro, em algumas circunstâncias, empregar eletrodos de aço inoxidável para lidar com reações em (b), mas instabilidades em potenciais de contato de aço inoxidável com a água salgada são consideráveis tornando estes eletrodos de aço inoxidável ruidosos e instáveis. Alternativamente, eletrodos fabricados de prata, ou uma combinação de prata e cloreto de prata, têm sido usados em hidrômetros e instrumentos similares para medir taxas de fluxo de água não salgada. Estes eletrodos de prata tendem a ser corroídos rapidamente em ambientes salinos hostis em que a montagem de sonda 2 0 é projetada para operar. Além disso, tanto para eletrodos de aço inoxidável como de prata, flutuações temporais em concentrações de vários cátions e ânions em solução salina são suscetíveis de influenciar sinais gerados a partir destes eletrodos que estão potencialmente pelo menos parcialmente em um intervalo de frequência de interesse. As flutuações temporais são, assim, manifestadas em ruído de fundo aumentado gerado pelo eletrodo.

[0062] Quando a montagem de sonda 20 foi implementada, concluiu-se que é altamente vantajoso implementar os eletrodos 195 de uma maneira como ilustrada na figura 6. O eletrodo 195 inclui um componente de eletrodo 430 implementado usando substancialmente material de fibra de carbono inerte, alternativamente, material de grafite; o componente de eletrodo 430 é acoplado a uma entrada de um amplificador. O material de fibra de carbono é opcionalmente poroso. Alternativamente, material de grafite não reage com água salgada e tem uma densidade eletrónica mais baixa em comparação com materiais tais como prata e aço inoxidável. Além disso, o material de fibra de carbono, alternativamente o material de grafite, é vantajosamente de uma natureza porosa aberta de modo que água salgada penetra no material de fibra de carbono, alternativamente, material de grafite, para proporcionar uma conexão melhorada ao mesmo, resistindo, desse modo, a uma tendência do eletrodo se tornar pelo menos parcialmente isolado na água do mar por depósitos formados em uma superfície do material de fibra de carbono ou material de grafite. Além disso, o eletrodo 195 inclui uma proteção de fluxo 410 incluindo uma ou mais aberturas 420 no mesmo para blindar o componente de eletrodo 430 de flutuações temporárias rápidas na concentração de cátion e ânion de sal à medida que o fluxo de água salgada passa à montagem de sonda 20 quando em operação. Opcionalmente, uma pluralidade de aberturas 420 na proteção de fluxo 410 é incluída. O componente de eletrodo 430 é eletricamente conectado ao seu amplificador de baixo ruído associado 180. Além disso, a proteção de fluxo 410 é implementada em metal ou um material de polímero isolante. O componente de eletrodo 430 é suportado por uma base mecânica 400 que permite que o eletrodo 195 seja montado à montagem de sonda 20 como ilustrado nas figuras 3 e 4.

[0063] Os amplificadores de baixo ruído 180 são submetidos a ruído de cintilação a frequências substancialmente inferiores a 100 Hz, ruído de disparo a frequências até vários kHz, e ruído térmico de amplo espectro acima de um espectro de frequência amplo. Em vista dos amplificadores 180 serem requeridos para amplificar sinais gerados nos eletrodos 195 em uma ordem de nanovolts (nV), os amplificadores 180 são, vantajosamente, amplificadores de tubo de vácuo termiônicos ou bipolares, FET de baixo ruido, configurados para exibir baixo ruido intrínseco sobre intervalos de frequências de interesse para operação da montagem de sonda 20. Considerações similares se aplicam também aos amplificadores 210 associados com a montagem de hidrofone 200.

[0064] A disposição de processamento de dados 40 será agora descrita em mais detalhes com referência à figura 7. A disposição de processamento de dados 4 0 é, por exemplo, em uma embarcação aquática tal como um navio, um equipamento de perfuração de petróleo, um equipamento de perfuração de gás, mas é também suscetível de ser suportada a partir de um submarino manobrando em água mais rasa que aquela da montagem de sonda 20. Para comunicar por meio de uma ou mais conexões flexíveis 30 com a unidade de interface 160 da montagem de sonda 20, a disposição de processamento de dados 40 inclui uma unidade de interface 500, por exemplo, operável para suportar comunicação Ethernet bidirecional. A unidade de interface 500 é acoplada dentro da disposição de processamento 40 a um computador 510 incluindo armazenamento de dados 520, por exemplo, unidades de disco magnético e/ou memória em estado sólido. O computador 510 é acoplado a um dispositivo de exposição 530, por exemplo, um ou mais monitores de tela plana LCD para apresentação de resultados a um ou mais usuários. Além disso, um dispositivo de entrada de dados 540, por exemplo, um teclado com seu mouse ou tracker ball associado, é acoplado ao computador 510.

[0065] O computador 510 é operável para executar um ou mais meios legíveis por computador transmitidos a esse em um portador de dados, por exemplo, em um disco ótico, em um sinal tal como um sinal de Internet, em um dispositivo de memória em estado sólido. Além disso, o computador 510 é capaz de fazer download e/ou configurar um ou mais meios legíveis por computador executando em operação no processador de sinal digital 170 da montagem de sonda 20. Enquanto que o processador de sinal digital 170 da sonda 20 é relacionado primariamente com a aquisição de sinal e formatação dos sinais adquiridos, por exemplo, opcionalmente aplicando compressão de dados tais como uma representação paramétrica de sinais adquiridos para transmissão por meio de a uma ou mais conexões flexíveis 30, o computador 510 é relacionado primariamente com interpretação dos sinais comunicados da montagem de sonda 20, por exemplo, por comparação baseada em regra, correlação ou similar, e apresentação dos resultados correspondentes no dispositivo de exposição 530.

[0066] Na figura 8, é mostrado um fluxograma das etapas continuamente executadas pela montagem de sonda 2 0 em cooperação com sua disposição de processamento de dados 40. O fluxograma representa etapas de um método que é vantajosamente repetitivamente e continuamente implementado.

[0067] Uma primeira etapa 600 do método se refere a detectar sinais nos pares de eletrodos 190 e/ou na montagem de hidrofone 200.

[0068] Uma segunda etapa 610 do método se refere a amplificar, nos amplificadores 180, 210, os sinais da primeira etapa para gerar sinais amplificados correspondentes; a amplificação é opcionalmente uma ou mais: (a) variável em ganho sob controle de meio legível do processador de sinal digital 170 e/ou o computador 510; (b) dinamicamente variável em ganho em resposta a amplitude de sinal detectada para proporcionar um intervalo dinâmico de detecção melhorado, e (c) sujeito a filtragem de frequência dentro dos amplificadores 180, 210 para remover o ruído em um estágio tão precoce quanto possível durante o manejo do sinal; opcionalmente tal filtragem é dinamicamente alterável sob controle do meio legível.

[0069] Uma terceira etapa 620 do método se refere ao processamento de sinal de sinais amplificados e digitalizados, a saber, sujeitos à conversão de analógico para digital, por um ou mais dentre: (i) sinais de processamento S da montagem de hidrofone 200 para proporcionar um feixe direcionado característico para proporcionar a montagem de hidrofone 200 com um sensibilidade direcional específica característica; sinais S de um ou mais hidrofones da montagem de hidrofone 200 são individualmente submetidos a ajuste de ganho e desvio de fase relativo para gerar sinais intermediários; os sinais intermediários são então somados para gerar um sinal para transmitir ao computador 510; os ajustes de ganho individual e desvios de fase relativos são usados para direcionar a caracteristica direcional em que sensibilidade preferencial deve ser proporcionada pela montagem de hidrofone 200; (ii) calcular uma diferença entre sinais proporcionados dos pares de eletrodos 190a, 190b, 190c para calcular a diferença de sinais indicativa de gradiente de campo elétrico experimentado pelos pares de eletrodos 190a, 190b, 190c; (iii) filtragem de sinais para remover componentes de ruido dos mesmos que não contribuem para a detecção de falhas ou condições similares a serem monitoradas; (iv) aplicar análise de sinal para gerar espectros de frequência de sinais e suas relações de fase relativa para gerar representações paramétricas cujos parâmetros são então comunicados ao computador 510 por meio de as unidades de interface 160, 500 e a uma ou mais conexões flexíveis 30, e (v) aplicar compressão de dados de sinais para comunicar sinais comprimidos correspondentes por meio das unidades de interface 160, 500 e a uma ou mais conexões flexíveis 30.

[0070] A terceira etapa inclui também a transmissão de dados de saída da montagem de sonda 20 por meio de as unidades de interface 160, 500 ao computador 510.

[0071] Uma quarta etapa 630 se refere ao processamento de sinais digitalizados no computador 500 e, se requerido, gerar um registro dos sinais digitalizados. Tal processamento inclui um ou mais dentre: (a) espectros de análise de frequência; (b) correlação e comparação análoga de espectros de frequência de sinal com espectros de frequência de modelo para identificar tipos específicos de falhas; (c) comparar os sinais digitalizados, seus espectros de frequência, ou uma correlação de seus espectros de frequência com um ou mais limites para determinar se um tipo específico de falha é identificado ou não pela sonda.

[0072] A quarta etapa também inclui a recepção de instruções de controle de um ou mais usuários com relação a um ou mais dentre: (a) direcionar a sensibilidade direcional para os hidrofones em uma direção preferida; (b) selecionar um modelo espectral preferido para o qual um tipo específico de falha é para ser detectado; (c) resolver sinais dos pares de eletrodos 190a, 190b, 190c em quaisquer frequências particulares para determinar uma direção em que o campo elétrico é orientado com respeito à sonda 20; (d) ajustar um limite de limiar para detectar um ou mais tipos de falhas; (e) aplicar um tipo específico de perfil de filtro a um ou mais sinais proporcionados da montagem de sonda 20, e (f) comparar sinais de medição da montagem de sonda 2 0 obtidos em tempo real com um registro prévio de sinais correspondentes para detectar quaisquer mudanças que ocorreram, por exemplo, correspondendo a uma falha que se desenvolve gradualmente.

[0073] Uma quinta etapa 640 do método se refere a apresentar os resultados calculados a um ou mais usuários. Tal apresentação é vantajosamente proporcionada por meio de uma interface de software de gráfico proporcionada no dispositivo de exposição 640.

[0074] O método é suscetível de ser repetido continuamente em tempo real como marcado por uma seta pontilhada 650. Além disso, a repetição entre a quarta e a quinta etapa 630, 640 é também factível como elucidado anteriormente. Além disso, o computador 500 é, em sinergia, suscetível a sinais de processamento de tanto a montagem de hidrofone 2 00 como os pares de eletrodos 190 e identificação de falhas que surgem a ambos sinais sónicos (acústicos), bem como campos elétricos correspondentes; por exemplo, uma região onde a água entrou em um cabo de potência subaquático onde a ação eletrolítica gera bolhas a partir do cabo, bem como corrente condutora e, deste modo, originando campos elétricos fracos na água. Quando motores são incluídos em montagens subaquáticas, a montagem de hidrofone 200 pode ser usada para detectar o desequilíbrio no motor e/ou sinais de falha precoce de suportes de motor por causa de harmónicos acústicos de uma frequência em que o motor está girando.

[0075] A quarta etapa 630 é suscetível de permitir que assinaturas harmónicas chave sejam identificadas. Por exemplo, máquinas rotatórias indutoras síncronas posicionadas em ambientes subaquáticos são fabricadas de modo que seus rotores de motor são equilibrados para reduzir a vibração, por exemplo, para reduzir o desgaste e tensões nos mancais de montagem do rotor. Tais rotores são submetidos a um campo magnético rotatório a uma frequência Fi de substancialmente 50 Hz de frequência de rede, ou a alguma outra frequência quando mecanismos de direção eletrónicos de frequência variável são empregados. Além disso, tais rotores de motor giram a uma frequência F2 sob condições sem carga que é normalmente substancialmente igual à frequência Fi ou uma sub-harmônica da mesma, dependendo do número de pólos incluídos nos motores. Contudo, quando os rotores ancorados são submetidos a uma carga mecânica, eles giram a uma frequência F2 ’ que é menos que a frequência F2 por conta de deslizamento ocorrendo nos motores. As equações 1 e 2 (Eqs. 1 e 2) descrevem uma relação destas frequências Fi, F2 e F2' a uma primeira aproximação: Eq. 1 w F2‘= Eq. 2 em que Fi = frequência de campo magnético rotatório; F2 = frequência rotatória não carregada de rotor; F2 ’ = frequência rotatória carregada de rotor; n = número harmónico quando m = 1; m = número sub-harmônico quando n = 1; T= torque aplicado ao rotor; k = caracteristica de carga do motor do rotor.

[0076] Para descrever condições carregadas de maneira mais pesada onde o torque T é considerável, o termo kT na equação é substituído por kg(T), em que g é uma função polinomial. Em uma situação onde um mecanismo de direção de frequência variável é empregado, por exemplo, gerado usando componentes de interruptor eletrónico de estado sólido de alta potência, os motores são proporcionados com sinais mecanismo de direção elétrico que têm componentes harmónicos elétricos de maior frequência traço.

[0077] Quando a montagem de sonda 20 é empregada para investigar uma máquina rotatória de indução subaquática submetida a deslizamento variável devido a uma carga de torque variante sendo aplicada à mesma, a disposição de sensor de hidrofone 200a e 200n é operável para gerar sinais que incluem componentes de sinal que estão a diferentes frequências em comparação com componentes de sinal presentes em sinais gerados pela disposição de sensor elétrico 190a, 190b, 190c. Como mencionado anteriormente, encontra-se, na prática, que certos componentes harmónicos ou sub-harmônicos são especialmente representativos de processos mecânicos ou elétricos ocorrendo em tais máquinas rotatórias.

[0078] Referindo à figura 9, é mostrado um gráfico incluindo um eixo de abscissas 800 representando a frequência crescente da esquerda para a direita, e um eixo de ordenadas 810 representando a amplitude de componente harmónico crescente de baixo para cima. Componentes 830a, 830b, 840c, 830d correspondem a fundamental (primeiro harmónico), segundo harmónico, terceiro harmónico e quarto harmónico de um sinal de mecanismo de direção elétrico para uma máquina rotatória como detectado usando a disposição de sensor elétrico 190a, 190b, 190c. Além disso, os componentes 850a, 850b e 850c correspondem a fundamental (primeiro harmónico), segundo harmónico e terceiro harmónico de um sinal acústico gerado pela máquina rotatória como detectado usando a disposição de sensor de hidrofone 200a a 200n. Como representado por setas 860, uma diferença de frequência entre os harmónicos é uma função de deslizamento ocorrendo na máquina rotatória e, portanto, uma carga mecânica aplicada a isto como mostrado na figura 10.

[0079] Na figura 10, um eixo de abscissas 900 representa o tempo decorrido da esquerda para a direita, e um eixo de ordenadas 910 representa frequência crescente de baixo para cima. Uma curva 920 corresponde a um componente harmónico de sinal elétrico normalizado com frequência obtido usando a disposição de sensor elétrico 190a, 190b, 190c. Além disso, uma curva 930 corresponde a um sinal acústico normalizado com frequência obtido usando a disposição de sensor de hidrofone 200a a 200n. As curvas 920, 930 divergem em frequência à medida que a máquina rotatória é mecanicamente carregada de uma maneira como descrita nas anteriormente ditas Equações 1 e 2 (Eqs. 1 e 2) . A montagem de sonda 20 permite, desse modo, caracteristicas de operação de máquina rotatórias posicionadas em ambientes subaquáticos para serem monitoradas. Opcionalmente, para o diagnóstico de falhas potenciais com tais máquinas rotatórias, amplitudes relativas de componentes harmónicos podem ser monitoradas em resposta a várias cargas sendo aplicadas à máquina rotatória. Empregando uma abordagem deste tipo, é possível detectar, em um estágio precoce, mancais de motor danificados ou desgastados, falhas em bombas acopladas a tais máquinas rotatórias, e similares. Exploração de óleo contemporânea no fundo do mar e recuperação de óleo a muitas centenas de metros de profundidade de água emprega aparelhos posicionados no fundo do mar para realizar o bombeamento de óleo e gás, bombeamento de lodo, bombeamento de água e similares; no evento de ocorrer falhas em tais aparelhos, é extremamente caro realizar a manutenção e trazer o aparelho até a superfície do mar, tal que a presente invenção é suscetível de ser usada para propósitos de diagnóstico para identificar problemas e, em certas situações, evitar a necessidade de substituir e/ou reparar desnecessariamente tais aparelhos.

[0080] A presente invenção não está limitada a realizar medições em máquinas rotatórias. Por exemplo, a montagem de sonda 20 é suscetível de ser usada para monitorar a operação de acionadores eletromecânicos, válvulas eletromecânicas, cabos subaquáticos, para mencionar alguns exemplos. A montagem de sonda 20 é também suscetível de ser usada para detectar vazamentos de canos subaquáticos, por exemplo, oleodutos subaquáticos.

[0081] Opcionalmente, a montagem de sonda 20 inclui instrumentação adicional, por exemplo, um ou mais dentre: (a) uma bússola magnética para detectar uma orientação da montagem de sonda 20 com respeito aos polos magnéticos da Terra; (b) um sistema de navegação inercial incluindo giroscópios e acelerômetros para monitorar uma orientação e posição da montagem de sonda 20 na região subaquática 10; opcionalmente acelerômetros de precisão microusinados de silicone robusto e giroscópios de fibra ótica são empregados em tal sistema de navegação inercial; a posição e orientação da montagem de sonda 2 0 é então vantajosamente mostrável no dispositivo de exposição 530 a um ou mais usuários; (c) um medidor de profundidade para determinar uma profundidade da montagem de sonda 20 na região subaquática 10; (d) um sensor de temperatura para medir uma temperatura de água próxima a montagem de sonda 20, por exemplo, certos tipos de falha elétrica tais como curtos-circuitos parciais são suscetíveis de causar efeitos de aquecimento localizado, e (e) uma ou mais câmeras digitais para ver uma vizinhança em que a montagem de sonda 20 é operada; opcionalmente, uma ou mais câmeras digitais incluem pelo menos uma câmera sensível ao infra-vermelho. Opcionalmente, uma ou mais câmeras são direcionáveis a partir do computador 500.

[0082] Modificações de modalidades da invenção descritas acima são possíveis sem se afastar do escopo da invenção como definido pelas reivindicações.

[0083] Opcionalmente, a montagem de sonda subaquática 20 também inclui um ou mais sensores químicos 800 como ilustrado na figura 2 para detectar uma ou mais substâncias químicas presentes na região subaquática 10. Um ou mais sensores químicos 800 são vantajosamente baseados em um ou mais dentre: (a) um ou mais sensores Chem-FET empregando um ou mais dispositivos de transístor de efeito de campo (FET - do inglês field effect transistor) cujo respectivo um ou mais eletrodos foram dopados ou, de outro modo, adaptados de modo que os dispositivos de transístor são operáveis para exibir a sensibilidade preferencial a certos tipos de ions presentes em solução na região subaquática 10; (b) um ou mais sensores químicos orgânicos incluindo enzimas ou polipeptídeos marcados com moléculas fluorescentes cuja resposta ótica muda em resposta às enzimas ou polipeptídeos unindo a moléculas complementares presentes na região subaquática 10, por exemplo, fragmentos de polímeros de isolamento degenerados pela ação de descarga elétrica subaquática; tais técnicas opcionalmente incluem ejetar um material traçador fluorescente em uma região ao redor da montagem de sonda subaquática 20 e, então, usar radiação ótica para interrogar remotamente a região de água para monitorar fluorescência do material traçador ejetado na região; (c) um ou mais sensores químicos baseados no uso de uma ou mais membranas seletivas, por exemplo, uma ou mais membranas lipídicas; ocorre difusão de substâncias químicas presentes em uma região de água ao redor da montagem de sonda 20 através de tal membrana em uma cavidade de interrogação, tal que substâncias químicas difundindo de forma bem sucedida na cavidade de interrogação são detectadas por métodos de detecção de espectros óticos; vantajosamente, uma ou mais membranas são periodicamente, ou continuamente, mecanicamente avançadas para expor material de membrana fresco para prevenir que uma ou mais membranas se tornem bloqueadas ou desativadas por outros materiais presentes em uma região circundando a montagem de sonda 20; e (d) um ou mais sensores químicos baseados na iluminação de uma região na proximidade da montagem de sonda subaquática 20 e medição de uma resposta de espectro ótico da região.

[0084] Sinais gerados em operação por um ou mais sensores químicos 800 são indicativos de espécies químicas e/ou moléculas orgânicas presentes na região subaquática 10; estes sinais são acoplados ao processador de sinal digital 170. O processador de sinal digital 170 é operável para processar estes sinais para gerar dados de sensor químico intermediário; os dados de sensor químico intermediário são subsequentemente comunicados por meio de uma ou mais conexões flexíveis 30 à disposição de processamento 40. A disposição de processamento 40 é operável para interpretar os dados de sensor químico intermediário para ajudar com a identificação de uma natureza de falha potencial presente na região subaquática 10. Por exemplo, um colapso elétrico em um dado tipo de subaquático capaz de empregar um dado tipo de isolamento de polímero resulta em certos subprodutos de colapso químico sendo ejetados na região subaquática 10 junto com a formação de bolha resultante em um tipo característico de ruído acústico bem como campos elétricos na região subaquática tendo uma orientação espacial específica. A disposição de processamento 40 é operável para identificar tipos específicos de assinaturas química, acústica e de campo elétrico de categorias específicas de falha elétrica presente na região subaquática 10, por exemplo, por correlação cruzada e/ou processamento de tipo de rede neural executado na disposição de processamento 40.

[0085] Um ou mais sensores químicos 800 em combinação com a disposição de sensor de hidrofone 200 são, por exemplo, capazes de permitir que a montagem de sonda subaquática 20 detecte vazamentos de canos subaquáticos enquanto que simultaneamente verifica se estão presentes ou não curtos-circuitos. Em tal maneira de operação, a montagem de sonda subaquática 20 é capaz de proporcionar serviços de diagnósticos mais compreensíveis.

[0086] A montagem de sonda subaquática 20 é vantajosamente proporcionada com potência elétrica de operação por meio de uma ou mais conexões flexíveis 30. Alternativamente, ou adicionalmente, a montagem de sonda subaquática 20 inclui sua própria fonte de energia, por exemplo, uma ou mais baterias recarregáveis; baterias de polímero-íon-lítio, baterias de níquel-hidreto metálico (NiMH do inglês nickel-metal hydride) e baterias de chumbo-ácido em gel selado uniformemente são adequadas para proporcionar a energia elétrica para operar a montagem de sonda subaquática 20. O uso de baterias na montagem de sonda 2 0 é uma vantagem em que sinais elétricos falsos induzidos em água em uma vizinhança da montagem de sonda 20 associada com fornecimento de energia por meio de a uma ou mais conexões flexíveis 30 até a montagem de sonda 20 são suscetíveis de serem reduzidas.

[0087] Embora o uso da montagem de hidrofone 200 em um modo de arranjo de fase tenha sido descrito acima, a montagem de sonda subaquática 20 é também opcionalmente operável para monitorar sinais gerados a partir de hidrofones individuais da montagem de hidrofone 200 para identificar uma localização espacial de uma fonte de energia acústica em uma vizinhança da montagem de sonda 20.

[0088] Expressões tais como "incluindo", "compreendendo", "incorporando", "consistindo de", "ter", e "é" usadas para descrever e reivindicar a presente invenção são intencionadas para serem interpretadas de uma maneira não exclusiva, a saber, permitindo que itens, componentes ou elementos não explicitamente descritos também estejam presentes. Referência no singular também deve ser interpretada com relação ao plural.

[0089] Numerais incluídos dentro de parênteses nas reivindicações são intencionados para auxiliar o entendimento das reivindicações e não devem ser interpretados de nenhuma maneira para limitar o assunto reivindicado por estas reivindicações.

REIVINDICAÇÕES

Claims (24)

1. Sistema de medição subaquático (20, 30, 40) , para monitorar uma região subaquática (10), o sistema (20, 30, 40) incluindo uma montagem de sensor operável para detectar pelo menos uma variável física na região (10) para gerar pelo menos um sinal de sensor correspondente e uma disposição de processamento de dados (170, 510, 520) para processar o pelo menos um sinal de sensor para gerar dados processados para apresentação e/ou registro, o sistema sendo caracterizado pelo fato de que a montagem de sensor (20) inclui um ou mais sensores de tensão (190) configurados para detectar campos elétricos presentes na região subaquática (10) e proporcionar informação no pelo menos um sinal indicativo de campos elétricos, a montagem de sensor (20) inclui um ou mais hidrofones (200) operáveis para receber energia sónica gerada na região subaquática (10) e para incluir informação correspondente no pelo menos um sinal de sensor para comunicar a disposição de processamento de dados (170, 510, 520) ; um ou mais hidrofones (200) estão configurados como uma disposição de hidrofones (200) cuja característica de detecção sónica em operação tem uma ou mais direções preferidas de sensibilidade para permitir que uma direção de uma fonte de energia sónica seja determinada, e um ou mais hidrofones (200) constituem, em operação, uma disposição em fase de hidrofones (200) cujas características de sensibilidade polar são eletronicamente direcionáveis a partir da disposição de processamento de dados (170, 520, 520) .

2. Sistema de medição subaquático (20, 30, 40) , de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que um ou mais sensores de tensão (190) são implementados como um ou mais pares de eletrodos (195) operáveis para proporcionar uma medição de tensão diferencial na região (10) e um ou mais pares de eletrodos (195) são dispostos para proporcionar medições de diferencial de potencial em uma pluralidade de direções mutuamente ortogonais.

3. Sistema de medição subaquático (20, 30, 40), de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que um ou mais pares de eletrodos (195) são fabricados de um material inerte que não é quimicamente reativo com água salgada.

4. Sistema de medição subaquático (20, 30, 40) , de acordo com a reivindicação 2 ou 3, caracterizado pelo fato de que a disposição de processamento de dados (170, 510, 520) é operável para analisar o pelo menos um sinal de sensor para determinar uma direção em que um campo elétrico a uma dada frequência de sinal é orientado para ajudar a determinar uma localização de uma fonte do campo elétrico dentro da região subaquática (10).

5. Sistema de medição subaquático (20, 30, 40), de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a montagem de sensor (20) inclui um ou mais sensores químicos (800) operáveis para detectar um ou mais componentes ou espécies químicas presentes na região subaquática (10) e para incluir informação correspondente no pelo menos um sinal de sensor para comunicar a disposição de processamento de dados (170, 510, 520), a informação sendo indicativa de um ou mais componentes ou espécies químicas detectadas.

6. Sistema de medição subaquático (20, 30, 40), de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a disposição de processamento de dados (170, 510, 520) é operável para calcular um ou mais espectros de frequência representativos de pelo menos um sinal de sensor, e para mostrar e/ou registrar um ou mais espectros de frequência.

7. Sistema de medição subaquático (20, 30, 40) , de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a disposição de processamento de dados (170, 510, 520) é operável para comparar um ou mais espectros de frequência com um ou mais modelos espectrais para identificar um ou mais eventos ocorrendo na região subaquática (10) .

8. Sistema de medição subaquático (20, 30, 40) , de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a disposição de processamento de dados (170, 510, 520) é operável para comparar um ou mais harmónicos de um ou mais sinais gerados por um ou mais hidrofones (200) em relação a um ou mais harmónicos de um ou mais sinais gerados por um ou mais sensores de tensão (190), para identificar diferenças entre os mesmos para definir a região subaquática.

9. Sistema de medição subaquático (20, 30, 40) , de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a montagem de sensor (20) inclui um sensor inercial para determinar uma orientação e/ou posição da montagem de sensor (20), o sensor inercial sendo acoplado em comunicação com a disposição de processamento de dados (170, 510, 520) .

10. Sistema de medição subaquático (20, 30, 40), de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que é adaptado para executar a detecção passiva de um ou mais curtos-circuitos na região subaquática (10).

11. Sistema de medição subaquático (20, 30, 40), de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a montagem de sensor é montada sobre uma montagem de sonda subaquática (20) acoplada por meio de uma conexão de comunicação ao hardware de computação (510) e a conexão de comunicação é uma conexão umbilical flexível permitindo que a montagem de sonda (20) seja manobrada dentro da região subaquática (10).

12. Sistema de medição subaquático (20, 30, 40) , de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a disposição de processamento de dados (170, 510, 520) é distribuída entre a montagem de sonda (20) e o hardware de computação (510).

13. Método para monitorar uma região subaquática (10), usando um sistema de medição subaquático (20, 30, 40) , o sistema (20, 30, 40) incluindo uma montagem de sensor (20) acoplada em comunicação com uma disposição de processamento de dados (170, 510, 520), o método sendo caracterizado por incluir: (a) usar um ou mais sensores de tensão (190) da montagem de sensor para detectar campos elétricos presentes na região subaquática (10) para gerar pelo menos um sinal de sensor incluindo informação indicativa dos campos elétricos; (b) usar um ou mais hidrofones (200) da montagem de sensor para receber energia sónica gerada na região subaquática (10) e para incluir informação correspondente no pelo menos um sinal de sensor para comunicar à disposição de processamento de dados (170, 510, 520), e (c) processar o pelo menos um sinal de sensor na disposição de processamento de dados (170, 510, 520) para permitir a monitoração da região subaquática (10), em que o método inclui adicionalmente: (d) configurar um ou mais hidrofones (200) como uma disposição de hidrofones (200) cuja caracteristica de detecção sónica em operação tem uma ou mais direções preferidas de sensibilidade para permitir que uma direção de uma fonte de energia sónica seja determinada; (e) usar um ou mais hidrofones (200) como uma disposição em fase de hidrofones (200), e (f) direcionar eletronicamente caracteristicas de sensibilidade polar da disposição em fase da disposição de processamento de dados (170, 520, 520).

14. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por um ou mais sensores de tensão (190) serem implementados como um ou mais pares de eletrodos (195) operáveis para proporcionar uma medição de tensão diferencial na região (10).

15. Método, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por incluir uma etapa de proporcionar medições diferenciais em uma pluralidade de direções mutuamente ortogonais usando um ou mais pares de eletrodos (195).

16. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 a 15, caracterizado por o método incluir uma etapa de usar a disposição de processamento de dados (170, 510, 520) para analisar o pelo menos um sinal de sensor para determinar uma direção em que um campo elétrico a uma dada frequência de sinal é orientado para ajudar a determinar uma localização de uma fonte do campo elétrico dentro da região subaquática (10).

17. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 a 16, caracterizado por incluir as etapas de: (a) detectar, usando um ou mais sensores químicos (800) incluídos no sistema de medição subaquático (20, 30, 40), um ou mais componentes ou espécies químicas presentes na região subaquática (10), e (b) incluir informação correspondente no pelo menos um sinal de sensor para comunicar a disposição de processamento de dados (170, 510, 520) , a informação sendo indicativa de uma ou mais substâncias químicas ou espécies químicas detectadas.

18. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 a 17, caracterizado por incluir as etapas de: (a) usar a disposição de processamento de dados (170, 510, 520) para calcular um ou mais espectros de frequência representativos do pelo menos um sinal de sensor, e (b) mostrar e/ou registrar ditos um ou mais espectros de frequência.

19. Método, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado por incluir uma etapa de comparar, na disposição de processamento de dados (170, 510, 520) , um ou mais harmónicos de um ou mais sinais gerados por um ou mais hidrofones (200) em relação a um ou mais harmónicos de um ou mais sinais gerados por um ou mais sensores de tensão (190), para identificar diferenças entre os mesmos para caracterizar a região subaquática.

20. Método, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado por incluir comparar um ou mais sinais gerados por um ou mais hidrofones (200) em relação a um ou mais sinais gerados por um ou mais sensores de tensão (190) , para monitorar o deslizamento que ocorre em uma ou mais máquinas de indução de rotação.

21. Método, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado por incluir uma etapa de usar a disposição de processamento de dados (170, 510, 520) para comparar um ou mais espectros de frequência com um ou mais modelos espectrais para identificar um ou mais eventos ocorrendo na região subaquática (10) .

22. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 a 21, caracterizado por incluir uma etapa de usar um sensor inercial da montagem de sensor (20) para determinar uma orientação e/ou posição da montagem de sensor (20), o sensor inercial sendo acoplado em comunicação com a disposição de processamento de dados (170, 510, 520) .

23. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 a 22, caracterizado por ser adaptado para executar a detecção passiva de um ou mais curtos-circuitos em na região subaquática (10) .

24. Meio legível por computador, que armazena instruções executáveis por computador, caracterizado pelo fato de que executa o método do tipo definido em qualquer uma das reivindicações 13 a 23.