BRPI0822792B1

BRPI0822792B1 - Rolo industrial com sistema sensor de cobertura do rolo ótico

Info

Publication number: BRPI0822792B1
Application number: BRPI0822792-6A
Authority: BR
Inventors: Antje Berendes; Norbert Gamsjaeger; Wolfgang Ecke; Manfred Rothardt
Original assignee: Voith Patent Gmbh
Priority date: 2008-09-23
Filing date: 2008-09-23
Publication date: 2019-04-16
Also published as: US8474333B2; WO2010034321A1; CN102203576B; BRPI0822792A2; EP2331923B1; CN102203576A; JP2012503207A; US20110226070A1; EP2331923A1

Abstract

rolo industrial com sistema sensor de cobertura do rolo ótico é provido um rolo industrial (20) 1 compreendendo um sensor de bragg para fibra transdutora de força transversal (10) que está integrado na cobertura do rolo (6) e/ou localizado no intermédio da cobertura do rolo (6) e o núcleo do rolo (21) do rolo industrial (20). o sensor de bragg para fibra transdutora de força transversal (10) compreende um guia de onda para fibra ótica ( 1) tendo um núcleo de fibra ( 2) e um revestimento de fibra e um elemento prisioneiro (4) sendo unido não positivamente a uma área parcial da superfície circunferencial da guia de onda para fibra ótica (1). a guia de onda para fibra ótica (1) compreende uma grade de bragg (3) localizado no núcleo de fibra (2) 1 por meio do qual a dimensâo da área parcial na direção longitudinal da fibra ( 1) é maior que o espaçamento de grade da grade de bragg ( 3) . a área parcial se localiza em uma seção do alojamento da guia de onda para fibra ótica da grade de bragg (3) 1 e pelo menos de um primeiro componente do elemento prisioneiro (4) é formado a partir de um primeiro material com seu módulo de young inferior a 10 a kn/mm2

Description

A invenção se refere à medição da pressão em coberturas de rolos para rolos industriais e, em particular, ao .5 uso de sensores em fibra com grade de Bragg para a determinação de uma pressão imposta em uma cobertura do rolo.

Os rolos são usados na fabricação industrial de papel para guiar, secar e pressionar a folha de malha fibrosa sendo o órgão elementar para a produção de papel. Os rolos são ainda usados nas máquinas para a fabricação de papel como

É* roletes guia para feltros úmidos, de prensa e do secador. Em algumas seções da máquina para fabricação de papel, a malha fibrosa é transportada entre dois rolos de cooperação, onde é prensada no vão formado entre esses rolos. As propriedades de um“papel processado a partir da mâlTTa fibrosa dependem principalmente dos perfis de pressão presentes nas seções de aperto entre os vários rolos de cooperação. Portanto, os fabricantes de papel estão buscando o monitoramento e o controle dos perfis de pressão nessas seções de aperto.

A pressão de aperto é tipicamente monitorada * por sensores colocados entre o núcleo do rolo e a cobertura do rolo ou dentro da cobertura do rolo. As forças radiais, isto é, as forças que agem na direção radial de um rolo, são normalmente medidas usando sensores piezelétricos ou eletromecânicos, onde ambos produzem uma tensão indicativa de suas deformações ao serem pressurizados. Como os rolos da máquina de papel giram em altas velocidades, os sinais do sensor são normalmente transmitidos para uma unidade de processamento

Λ V

2/35 de sinais exterior ao rolo por meio de um transmissor de rádio.

Além dos sensores elétricos, também os sensores de fibras óticas são usados para o monitoramento das condições de pressão dentro de um vão entre dois rolos. Os sensores de 5 fibras óticas geralmente usam uma guia de onda para fibra ótica como elemento sensor, por meio do qual o deformação exercido na fibra é determinado pelo impacto do deformação nas propriedades óticas da fibra.

Nas fibras óticas convencionais, a variação 10 induzida por deformação ou por dobradura na intensidade da luz que passa pela fibra é usada como um sinal de medição. Mas como os sinais de medição obtidos por esses efeitos não portam informações referentes à localização da origem do sinal, não é possível determinar a posição em que as propriedades óticas da fibr-a variaram. ~ ~

Se também o ponto de origem de um sinal de medição for de importância, são preferidas as fibras óticas compreendendo várias seções discerníveis de medição. Em um sensor de fibra de grade de Bragg, é formada uma respectiva seção de medição por uma grade de Bragg localizada no núcleo de fibra. Uma grade de Bragg consiste de uma sequência de variações no índice de refração do núcleo de fibra ao longo da direção longitudinal da fibra ótica. Dependendo do respectivo problema distâncias entre alterações consecutivas de medição, (tipicamente as nos duas;

índices de refração (denominado espaçamento de grades) são constantes ou variam dentro de uma grade de Bragg. A luz que passa pelo núcleo da fibra ótica é parcialmente refletida em cada mudança de índice de refração,

3/35 com o coeficiente de reflexão dependendo dos índices de refração envolvidos e do comprimento de onda da luz. Múltiplas reflexões em uma sequência de mudanças no índice de refração levam a uma interferência construtiva ou destrutiva. Portanto, somente será refletido um comprimento de onda (pelo menos parcialmente), quando o espaçamento de grade de uma seção de medição de grade de Bragg for constante, sendo refletidos múltiplos comprimentos de onda, quando varia o espaçamento de grade dentro de uma seção de medição. Os comprimentos de onda da luz refletida e o coeficiente de refletância obtidos dependem do espaçamento de grades usado, dos índices de refração envolvidos e do comprimento de grade dado devido ao número de mudanças de índices de refração presentes na seção de medição.

Quando a seção de medição, isto é, a seção da fibra contendo” a grade cie Bragg, “e exposta à deformação, os espaçamentos de grade mudam, provocando assim uma mudança proporcional no comprimento de onda da luz refletido na grade.

Somente é obtida uma mudança mensurável no comprimento de onda quando a seção da grade de Bragg de uma fibra ótica é esticada ou comprimida em sua direção longitudinal. As forças que atuam transversalmente ao eixo da fibra não provocam uma alteração mensurável no espaçamento de grades, mas somente pequenas alterações no comprimento de onda de Bragg pelos efeitos fotoelásticos. Sensores de fibra de Bragg são, portanto usados primariamente como sensores de deformação e não como sensores de pressão ou de força.

O perfil de pressão na seção do vão entre dois rolos de dois rolos de cooperação é praticamente descrita pelas

4/35 forças que atuam radialmente nos rolos. Para a medição direta dessas forças, a grade de Bragg de um sensor de fibra de Bragg deveria ser orientada em uma direção radial do rolo. Uma disposição respectiva não é prática, já que o comprimento de 5 grade de uma fibra de grade de Bragg é da ordem de milímetros, e assim muito longa para ser usada dentro de uma cobertura do rolo. Além disso, o raio mínimo de dobradura de uma fibra ótica é da ordem de aproximadamente um centímetro, tornando assim a altura total mínima da fibra com relação à direção radial muito 10 comprida para aplicações práticas. Pela mesma razão do raio de

dobradura	limitado, uma	orientação radial	de uma fibra	de grade
de Bragg	na cobertura	do rolo permite	somente uma	seção de
medição	por fibra, de	maneira que é	necessária uma fibra
separada	para cada local	de medição.
-	Os sensores de fibra	ótica são,	portanto

normalmente dispostos para medir a deformação circunferencial induzida em uma cobertura do rolo pelas forças que atuam na seção do vão entre dois rolos. Para detectar a deformação circunferencial de uma cobertura do rolo, a fibra ótica é integrada na cobertura do rolo ou em um limite entre a cobertura do rolo e o núcleo do rolo. É revelada uma disposição adequada para a determinação da deformação tangencial em uma cobertura do rolo na Patente européia EP 1 392 917 BI onde, de preferência, são dispostos sensores de fibra ótica para microdobraduras ao longo de uma configuração helicoidal, axial, circunferencial e “de certa forma aleatória. As configurações de fibra ótica apresentadas na especificação da Patente européia EP 0 809 507 BI incluem linhas espirais, onduladas, dispersas e retas ao

5/35 longo do comprimento do rolo paralelo ao eixo do rolo. Ao usar uma forma de onda como uma linha ondulante, as seções de medição da fibra, por exemplo, as grades de Bragg, são orientadas na direção circunferencial do rolo ou têm pelo menos uma componente naquela direção.

í

Ao usar mais de uma seção de medição dentro de uma fibra do sensor de Bragg, os sinais de medição devem ser indicados às suas respectivas seções de medição de origem. Se a fibra de um sensor de fibra de Bragg for disposta em uma configuração helicoidal, cada seção de medição cruza o vão entre dois rolos em diferentes posições angulares do rolo. A indicação da seção de medição pode assim ser implementada usando o ângulo de rotação do rolo.

Outro método para a identificação da seção de medição dã qual se origina umã determinada reflexão luminosa, se baseia em uma determinação do intervalo de tempo entre o lançamento de um pulso luminoso na fibra de Bragg e a detecção de um eco luminoso refletido de uma das grades de Bragg na fibra. É revelado, por exemplo, uma respectiva disposição do sensor de fibra de grade de Bragg multiplexado no tempo é revelada na especificação de patente US 4,996,419.

Ao invés da multiplexação de tempo, a multiplexação de comprimento de onda pode ser usada para a identificação de uma seção de medição, dando origem a um determinado sinal de medição. Um exemplo deste extensômetro de fibra ótica de resolução espacialmente distribuída é revelado no documento US 4,806,012. Na fibra de Bragg descrita, o espaçamento de grade de uma grade de Bragg difere de qualquer

6/35 espaçamento de grade de outra grade de Bragg formãdã na mesma fibra. Assim, o comprimento básico de onda de um eco luminoso produzido em uma grade difere daquele produzido em cada uma das demais grades. Neste contexto, nota-se que o termo eco luminoso como usado nesta especificação se refere à luz refletida em uma grade de Bragg na fibra de Bragg. Uma fibra de Bragg se refere na presente a uma fibra ótica tendo uma ou mais grades de Bragg formadas dentro de seu núcleo de fibra. O termo comprimento básico de onda como usado nesta especificação se refere ao comprimento de onda de um eco luminoso produzido com uma grade de Bragg não exposta à deformação. O espaçamento entre os comprimentos básicos de onda das diferentes grades de Bragg de uma fibra de Bragg é normalmente escolhido maior que a mudança de comprimento de onda esperada para a fibra de Bragg quando usada na forma indicada.

Independente do tipo de fibra de Bragg usada, um sensor de fibra de Bragg integrado na cobertura do rolo somente permite a determinação da deformação da cobertura do rolo provocada pelas forças que atuam no vão entre dois rolos e não das forças radiais que afetam o rolo dentro da área de pressão. São pequenas as variações na deformação da cobertura ao longo do comprimento de um rolo quando comparadas com a variação da deformação na direção circunferencial do rolo, já que a diferença de pressões ao longo do comprimento do rolo é tipicamente muito menor que entre o interior e o exterior do vão entre dois rolos. Uma fibra de Bragg disposta ao longo do comprimento de um rolo e paralela ao eixo do rolo produzirá, portanto somente pequenas alterações no comprimento de onda da

7/35 luz refletida em uma grade de Bragg se houver,· com ós vãlores da alteração não sendo, além disso, indicativos do valor absoluto das forças de compressão presentes no vão entre dois rolos. Para se obter uma indicação sobre os valores absolutos das forças de 5 compressão no vão entre dois rolos, as grades de Bragg são orientadas com uma componente indicando na direção circunferencial do rolo. Mas mesmo isto não permite uma sugestão confiável sobre as forças presentes entre dois rolos correspondentes, já que a relação entre a deformação da cobertura e as forças de compressão é muito complexa devido à elasticidade da cobertura do rolo.

Outra desvantagem dos sensores de fibra de

Bragg é o número limitado de seções de medição discerníveis, que podem ser dispostas dentro de uma fibra. Um sensor de fibra de 15 Bragg consiste “normalmente dè não mais“que entre dez e vinte e cinco grades, que limitam a densidade dos pontos de medida disponíveis para a determinação ' do perfil de pressão no vão entre dois rolos.

Portanto, trata-se de um objetivo da presente 20 invenção prover um sistema sensor de fibra ótica de Bragg aperfeiçoado para a caracterização de perfis de pressão em uma seção do vão entre rolos de dois rolos de cooperação.

Este objetivo é alcançado pela invenção como definida nas reivindicações independentes. As configurações 25 vantajosas da invenção são o assunto das demais reivindicações.

A invenção compreende um rolo industrial com um núcleo do rolo tendo uma seção com uma geometria substancialmente cilíndrica, uma cobertura do rolo revestindo a

8/35 seção cilíndrica do núcleo do rolo pelo menos em parte, è um òu mais sensores de fibras óticas integrados na cobertura do rolo e/ou localizados no intermédio da cobertura do rolo e o núcleo do rolo. Um ou mais dos sensores de fibras óticas compreendem pelo menos uma seção de medição que é formada por um sensor de

Bragg para fibra transdutora de força transversal compreendendo uma guia de onda para fibra ótica e um elemento prisioneiro, com a guia de onda para fibra ótica compreendendo um núcleo de fibra e um revestimento de fibra, e com o elemento prisioneiro sendo unido não positivamente a uma área parcial da superfície circunferencial da guia de onda para fibra ótica. A guia de onda para fibra ótica compreende na presente uma grade de Bragg localizada no núcleo de fibra. Além disso, a dimensão da área parcial na direção longitudinal da fibra é maior que o espaçamento’ de grade da^- grade’~de Bragg, e a área parcial se localiza em uma seção da guia de onda para fibra ótica que aloja a grade de Bragg. Além disso, pelo menos um primeiro componente do elemento prisioneiro é formado a partir de um primeiro material com seu módulo de Young inferior a 10 kN/mm² (igual a 10 GPa) .

Um rolo industrial como acima definido permite com vantagens uma medição direta das forças direcionadas radialmente no rolo industrial.

A invenção ainda compreende uma cobertura do rolo compreendendo um ou mais sensores de fibras óticas integrados na cobertura do rolo e/ou localizado no intermédio da cobertura do rolo e o núcleo do rolo; onde um ou mais dos sensores de fibras óticas são formados por um sensor de Bragg

9/35 para fibra transdutora de força transversal compreendendo umã guia de onda para fibra ótica e um elemento prisioneiro, com a guia de onda para fibra ótica compreendendo um núcleo de fibra e um revestimento de fibra, e com o elemento prisioneiro sendo 5 unido não positivamente a uma área parcial da superfície circunferencial da guia de onda para fibra ótica, e onde a guia de onda ótica da fibra compreende uma grade de Bragg localizada no núcleo de fibra, uma dimensão da área parcial na direção longitudinal da fibra é maior que o espaçamento de grade da 10 grade de Bragg, a área parcial se localiza em uma seção da guia de onda para fibra ótica que aloja a grade de Bragg, e pelo menos um primeiro componente do elemento prisioneiro é formado a partir de um primeiro material com seu módulo de Young inferior a 10 kN/mm².

Ά invenção' tãmbém“compreende um sensor de fibra ótica correspondendo a um sensor de Bragg para fibra transdutora de força transversal como acima descrito como parte do rolo industrial e/ou da cobertura do rolo.

A compressibilidade do primeiro material usado 20 para o elemento prisioneiro de um sensor de fibra ótica especificado acima é de preferência baixa, sendo caracterizada por um módulo de elasticidade volumétrica de preferência maior que IO¹⁰ Pa (correspondendo a IO¹⁰ N/m², que é igual a 10 GPa) . A baixa compressibilidade garante uma eficiente transformação das forças transversais em uma deformação longitudinal do elemento prisioneiro.

Em uma configuração preferida de um sensor de fibra ótica especificado acima o primeiro material tem um

10/35 módulo dê Young inferior a 1 kN/mm² e mais preferivelmente um módulo de Young na faixa de 0,001 a 0,01 kN/mm².

O elemento prisioneiro vantajosamente compreende pelo menos um segundo componente formado por um segundo material e disposto na superfície circunferencial da guia de onda para fibra ótica adjacente ao primeiro componente com relação à direção longitudinal da fibra ótica, por meio do qual o segundo material tem um módulo de Young inferior a 10 kN/mm² e uma alta compressibilidade, caracterizado por um módulo de elasticidade volumétrica preferivelmente inferior a 106 N/m².

O elemento prisioneiro pode ainda ser implementado compreendendo dois segundos componentes adjacentes ao primeiro componente em lados opostos com relação à direção longitudinal da guia de onda para fibra ótica, permitindo assim uma deformação simétrica do elemento prisioneiro.

De acordo com um desenvolvimento vantajoso, o sensor de Bragg para fibra transdutora de força transversal está, de preferência, integrado na cobertura do rolo e/ou no intermédio da cobertura do rolo e no núcleo do rolo, com o elemento prisioneiro sendo localizado dentro de uma cavidade formada na cobertura do rolo e/ou no intermédio da cobertura do rolo e do núcleo do rolo. Para permitir um alongamento da grade de Bragg ligada ao elemento prisioneiro quando exposta a uma força transversal, a dimensão da cavidade na direção longitudinal da guia de onda para fibra ótica é, de preferência, maior que a do elemento prisioneiro naquela direção. Isto permite que o elemento prisioneiro penetre na cavidade quando pressionado. É obtida uma melhor sensibilidade

11/35 com ò elemento prisioneiro sendo disposto dèritro da càvidáde dê maneira a deixar um vazio em ambos os lados do elemento prisioneiro com relação à direção longitudinal da guia de onda para fibra ótica.

É obtida uma transformação efetiva das forças transversais em uma deformação longitudinal de uma fibra de grade de Bragg pelo elemento prisioneiro sendo disposto na guia de onda para fibra ótica, de maneira que a guia de onda para fibra ótica penetre no elemento prisioneiro. Para obter uma transformação controlada das forças direcionadas em uma direção radial da guia de onda para fibra ótica, o elemento prisioneiro ainda pode ter uma geometria rotacionalmente simétrica com o eixo da guia de onda para fibra ótica localizado no eixo de simetria do elemento prisioneiro.

O primeiro componente do elemento prisioneiro pode ainda ter um formato parecido a uma esfera, um esferóide alongado ou achatado nos polos, um cone duplo, um disco, um cilindro, um cilindro protuberante ou formas rotacionais mais parecidas, que permitam uma transformação definida das forças transversais em forças longitudinais.

Se um sensor de fibra ótica com um elemento prisioneiro compreendendo um primeiro elemento inserido entre dois segundos componentes na direção da fibra longitudinal estiver integrado em outro material, pode ser obtida uma 25 compressão relativamente homogênea do segundo componente com o segundo componente do elemento prisioneiro tendo um formato aproximadamente cônico ou de cone truncado, isto é, tronco de , fazendo contato do primeiro componente com a base da cone

12/35 geometria.

Se a fibra ótica compreende um revestimento, como por exemplo, um revestimento de proteção, o revestimento faz parte, de preferência, da junta não positiva entre o elemento prisioneiro e a superfície circunferencial da guia de onda para fibra ótica.

Em uma configuração preferida, é usada borracha silicone para o primeiro material e/ou espuma polimérica para o segundo material.

10	0	rolo industrial	ainda	compreende
vantajosamente	um	meio de suprimento do	sensor com	uma fonte
luminosa de banda	larga para enviar a	luz para o	sensor de
fibra ótica, um	acoplador adaptado para acoplar a luz	externa de

um sensor de fibra de Bragg que tiver sido refletida em uma grade de Bragg üõ sensor de fibra de Bragg, um sensor espectral para a conversão sensível de um comprimento de onda de luz acoplado fora do sensor de fibra de Bragg em sinais de medição elétrica, um meio para o processamento de sinais para processar os sinais de medição, e um meio de transmissão para a transmissão dos sinais de medição processados. O meio de suprimento do sensor está na presente, de preferência, localizado em uma face lateral na área de borda da superfície circunferencial do rolo. Os componentes óticos do meio de suprimento do sensor estão na presente, de preferência, dispostos em uma face lateral da seção cilíndrica do núcleo do rolo, de maneira que os efeitos dos componentes divergentes das forças centrífugas que atuam nos componentes óticos individuais sejam minimizados.

13/35

Para permitir medições em locais diferentês cóm somente uma fibra, pelo menos um sensor de fibra de Bragg compreende mais de uma grade de Bragg com diferentes espaçamentos entre as grades. Isto permite a identificação da 5 grade de Bragg, dando origem a um sinal de medição pelo comprimento de onda do sinal. O método respectivo de medição é denominado multiplexação de comprimento de onda.

Para ainda aumentar o número de pontos „ discerníveis de medição em uma única fibra, são providos grupos de grades de Bragg separados entre si por uma seção de guia de f onda para fibra ótica não contendo grades de Bragg, por meio do qual as grades de Bragg dentro de um grupo de grades de Bragg têm diferentes espaçamentos de grades, e por meio do qual é escolhido o comprimento de uma seção de guia de onda para fibra 15 ótica “que separa dois grupos de grades de Bragg de forma suficientemente longa, para permitir um registro em tempos separados da luz refletida nos diferentes grupos de grades de

Bragg. Na presente, o espaçamento de grades das grades de Bragg dentro de um grupo de grades de Bragg, de preferência, 20 corresponde ao espaçamento de grades das grades de Bragg dentro de outro grupo de grades de Bragg, permitindo um número máximo de grades dentro de um grupo.

Com pelo menos um sensor de fibra ótica sendo integrado na cobertura do rolo e/ou no intermédio da cobertura 25 do rolo e o núcleo do rolo substancialmente em paralelo com o eixo de simetria rotacional do rolo, o sensor de fibra de Bragg não é influenciado por um estiramento tangencial da cobertura do rolo, provendo assim que sinais de medição se relacionem

14/35 diretamente com as forças no vão entre dois rolos na direção radial do rolo industrial. Para acomodar um sensor de fibra de

Bragg com vários grupos de grades de Bragg separados por seções de 'retardo' no intermédio, as seções do sensor de fibra de 5 Bragg contendo um grupo de grades de Bragg são vantajosamente orientadas em paralelo com o eixo de simetria rotacional do rolo, e as seções do sensor de fibra de Bragg que separam dois grupos de grades de Bragg são, de preferência, orientadas ao longo de uma linha substancialmente helicoidal à volta do eixo 10 de simetria rotacional do rolo. Assim, várias de grades de Bragg podem ser dispostas em uma linha paralela ao eixo de rotação do rolo industrial, sem que as seções de 'retardo' resultem em uma maior distância entre as grades de Bragg.

Com pelo menos um sensor de fibra ótica sendo 15 integrado na cobertura do rolo e/ou no intermédio da cobertura do rolo, e o núcleo do rolo substancialmente ao longo de uma linha helicoidal à volta do eixo de simetria rotacional do rolo, é possível determinar a deformação circunferencial da cobertura do rolo na seção do vão entre dois rolos.

Para minimizar a carga de tração exercida na fibra, pelo menos um sensor de fibra ótica pode ser integrado na cobertura do rolo e/ou no intermédio da cobertura do rolo e o núcleo do rolo com pelo menos uma grade de Bragg de uma fibra sendo orientada em um ângulo entre 10° e 80° com relação à direção circunferencial do rolo e, de preferência, em um ângulo de 45° com relação à direção circunferencial do rolo.

Vantajosamente, pelo menos uma das grades de

Bragg localizada em uma seção do sensor de fibra de Bragg e

15/35 òrientãda ào longo de uma linha substancialmente helicoidal à volta do eixo de simetria rotacional do rolo não é ligada a um elemento prisioneiro.

Em uma configuração preferida, a cobertura do rolo tem propriedades elásticas caracterizadas por um módulo de Young na faixa de 5 kN/mm² a 10 kN/mm².

Outras características da invenção ficarão aparentes a partir da descrição das configurações da invenção, juntamente com as reivindicações e as figuras anexas. As configurações da invenção podem implementar características únicas ou várias características combinadas. Na descrição a seguir, a presente invenção é explicada em maiores detalhes com relação às configurações especiais e em relação aos desenhos anexos, onde

		À	Figura la mostra	um rolo industrial tendo	uma
cobertura	do	rolo	com um sensor de	fibra de Bragg integrado	na
cobertura	do	rolo	paralela ao eixo	de rotação,
		A	Figura lb mostra	um rolo industrial tendo	uma
cobertura	do	rolo	com um sensor de	fibra de Bragg integrado	na
cobertura	do	rolo	ao longo de uma	linha helicoidal à volta	do

eixo de rotação,

A Figura 1c mostra um rolo industrial tendo uma cobertura do rolo com um sensor de fibra de Bragg integrado na cobertura do rolo, por meio do qual duas seções do sensor são orientadas em paralelo ao eixo de rotação, e uma seção entre esses dois é orientada ao longo de uma linha helicoidal à volta do eixo de rotação,

A Figura 2 mostra um primeiro exemplo de um

16/35 sensor de Bragg para fibra transdutora de força transversal,

A Figura 3 mostra um segundo exemplo de um sensor de Bragg para fibra transdutora de força transversal,

A Figura 4 mostra a terceiro exemplo de um sensor de Bragg para fibra transdutora de força transversal,

A Figura 5 mostra um quarto exemplo de um sensor de Bragg para fibra transdutora de força transversal,

A Figura 6 mostra uma vista detalhada de uma seção de cobertura do rolo tendo um sensor de Bragg para fibra 10 transdutora de força transversal integrado de acordo com o primeiro exemplo ilustrado na Figura 2 com o elemento prisioneiro sendo acomodado em uma cavidade maior que o elemento prisioneiro,

A Figura 7 mostra uma seção de uma cobertura do 15 rolo com um se nsor de Bragg para~ fibra transdutora de força transversal integrado de acordo com o primeiro exemplo ilustrado na Figura 2 em uma vista detalhada,

A Figura 8 mostra uma vista detalhada de uma seção da cobertura do rolo com um sensor de Bragg para fibra 20 transdutora de força transversal integrado de acordo com o segundo exemplo ilustrado na Figura 3,

A Figura 9 mostra uma representação esquemática de um sistema de medição de fibra ótica para o monitoramento de pressão em coberturas de rolos, e

A Figura 10 mostra um sistema de medição de fibra ótica modificado para a medição das deformações radiais da cobertura do rolo.

É mostrada uma representação esquemática de um

17/35 rolo industrial 20 com um sistema sensor da cobertura do rolo ótico na Figura la. O rolo industrial 20 compreende um núcleo do rolo 21 com um corpo cilíndrico substancialmente circular e uma cobertura do rolo 6 revestindo a maior parte do corpo. O núcleo do rolo 21 pode ser feito de metal ou de plástico revestido com fibra ou qualquer outro material adequado usado para núcleos de rolos industriais 21. O corpo do núcleo do rolo pode ser configurado com uma proteção tendo uma superfície externa e um lume interno, de maneira que a cobertura do rolo 6 se sobreponha à superfície externa, seja no total ou exceto para as bordas laterais. Para a cobertura do rolo 6, pode ser usado qualquer material de uso comum como borracha, poliuretano, plástico reforçado com fibra de vidro e outros.

A cobertura do rolo 6 ainda compreende um sensor de fibra de Bragg 10 integrado que é adaptado para medir forças direcionadas transversalmente à direção longitudinal da fibra 10, isto é, com relação à direção radial do rolo industrial 20. 0 sensor de fibra de Bragg 10 compreende um ou mais elementos prisioneiros 4 descritos abaixo em maior detalhe, com a grade de Bragg alongada (ou alternativamente comprimida) localizada na fibra 10 após ser comprimida.

Em pelo menos uma face lateral do rolo 20, é provido um suporte para a montagem de um meio de suprimento do sensor 22. No exemplo mostrado nas Figuras la a lc, um alojamento 30 montado na face lateral do núcleo do rolo 21 forma o suporte. O meio de suprimento do sensor 22 está disposto dentro de um recesso 23 do alojamento 30. O termo meio de suprimento do sensor 22 como usado nesta especificação,

18/35 indica o equipamento usado para a operação do sensor de fibra de Bragg 10, isto é, para enviar a luz para o sensor 10, para determinar a distribuição do comprimento de onda e a intensidade da luz refletida na grade de Bragg do sensor de fibra ótica 10 e para prover sinais de medição representando as características da luz refletida. O meio de suprimento do sensor 22 de preferência ainda compreende um transmissor ou um receptor para permitir a comunicação de dados sem fio com equipamento de medição ou com o equipamento de controle remoto com o rolo industrial 20. As paredes laterais do recesso 23 são de preferência planas e têm uma orientação tangencial com relação ao eixo de rotação 8 do rolo industrial 20. O meio de suprimento do sensor 22 é de preferência montado nessas paredes laterais para garantir que os componentes individuais e entre esses em particular os’componentes óticos não sejam submetidos a forças centrífugas divergentes. Apesar de o meio de suprimento do sensor 22 ser representado nas Figuras la a lc como módulo simples, nota-se que o meio de suprimento do sensor 22 também pode compreender vários módulos, cada qual podendo ser montado em uma face diferente das paredes laterais. Entretanto, é compreendido que também um ou mais módulos podem compartilhar uma das faces laterais. Para evitar massas desbalanceadas, as paredes laterais do recesso 23 de preferência formam um polígono regular.

O rolo industrial sensorizado 20 mostrado na

Figura lb é diferente da configuração exemplar mostrada na Figura la da forma que o sensor de fibra de Bragg 10 está disposto na cobertura do rolo 6. Apesar de o sensor de fibra de

19/35

Bragg 10 dè acordo com a configuração exemplar da Figura la estar orientado em paralelo com o eixo de rotação 8 do rolo 20, o sensor de fibra de Bragg 10 da Figura lb segue uma linha helicoidal à volta do eixo de rotação 8, que se prolonga somente por uma parte da circunferência dos rolos. Em configurações diferentes, que não são ilustradas em uma das

Figuras, a linha helicoidal seguida pelo sensor de fibra 10 se prolonga por toda a circunferência ou se desdobra várias vezes à volta do eixo 8. Além disso, o sensor de fibra ótica 10 pode compreender algumas seções de medição em branco, isto é, grade de Bragg sem os elementos prisioneiros 4 nela fixados. Com essas seções de medição em branco sendo orientadas tendo uma componente circunferencial em relação ao eixo de rotação 8 do rolo 20, também podem ser medidas forças tangenciais devidas à, por exemplo, deformação circunferencial.

Na	Figura 1 c	, é	mostrada	uma	combinação	das
duas disposições	de fibras	da	Figura	1 a	e 1 b .	Esta
configuração é a	preferida	para	sensores	de	fibras óticas

adaptados para comprimento de onda e multiplexação de tempo combinadas, como descrito em maiores detalhes mais abaixo. Para permitir ambas as técnicas de multiplexação, os transdutores de forças transversais (formados pelos elementos prisioneiros 4) e assim a grade de Bragg por estes servida, são agregados em dois ou mais grupos 12, sendo separados por uma seção 11 do sensor de fibra 10 não contendo grades de Bragg. a seção 11 retarda os sinais da luz refletida que se originam dos grupos localizados no lado distante da fibra, fornecendo assim os sinais de diferentes grupos em tempos diferentes.

20/35

Deve ser notado que, diferente das representações das Figuras la, lb e lc, mais de um sensor de fibra de Bragg 10 pode ser usado em uma cobertura do rolo 6, e que um ou todos os sensores 10 também podem se localizar no intermédio da cobertura do rolo 6 e o núcleo do rolo 21, ao invés de serem integrados na cobertura do rolo 6 como mostrado.

A orientação da fibra ótica 10 pelo núcleo do rolo 21 para o meio de suprimento do sensor 22 como mostrado não é obrigatória. A colocação da ponta da fibra em um sulco do 10 núcleo do rolo 21 é uma das muitas possíveis alternativas.

A Figura 2 mostra uma primeira configuração exemplar de um sensor de fibra de Bragg 10 adaptado para a medição de forças direcionadas transversalmente à direção longitudinal da fibra. O sensor de fibra de Bragg 10 compreende 15 umã^fibra ótica 1 com um núcleo dê^- fibra 2 e uma grade de Bragg inscritos no núcleo de fibra 2. O núcleo de fibra 2 tem um maior índice de refração que o revestimento de fibra, isto é, a parte da fibra ótica que circunda o núcleo de fibra 2, para permitir uma propagação luminosa limitada ao núcleo de fibra 20 pela reflexão total. A fibra 1 pode ainda ter um revestimento de proteção (não mostrado na Figura), que é normalmente formado por uma camada retentora de resina resistente que pode ainda ser circundada por uma camada plástica de revestimento. Respectivos revestimentos de proteção podem ser usados para melhorar a resistência mecânica da fibra, mas não são necessariamente exigidos para um sensor de fibra de Bragg de acordo com a invenção. É necessária uma adesão confiável do revestimento no revestimento quando são usadas as fibras de Bragg 1 dotadas de

21/35 revestimento de proteção.

O sensor de fibra de Bragg 10 da Figura 2 ainda compreende um elemento prisioneiro 4 circundando a fibra ótica 1 na região onde se localiza a grade de Bragg 3. Na configuração ilustrada, o elemento prisioneiro 4 é formado por um único componente 4a. O elemento prisioneiro 4 é mostrado tendo uma forma esférica com a fibra ótica de Bragg 1 penetrando-o em um eixo de simetria rotacional. O componente prisioneiro 4a é feito de material elástico. O termo material elástico como usado nesta especificação indica um material que pode ser deformado de forma reversível sob stress. Isto significa que um objeto feito de um material elástico está submetido à deformação sob stress com o objeto retornando à sua forma original quando o stress é removido. Um material respectivo é também denominado de material flexível. È flexibilidade quando a faixa na qual obtida uma alta o objeto pode ser reversivelmente deformado se estende em uma determinada porcentagem ou mesmo muito além das dimensões do objeto. Alguns materiais altamente elásticos permitem o estiramento reversível 20 de um objeto em até 700 por cento.

O material usado para o componente prisioneiro

4a não é mais compressível em um sentido técnico, isto é, o volume total do componente prisioneiro 4a substancialmente sob deformação. Assim, quando prisioneiro 4 de formato esférico da Figura 2, que é formado por somente um componente 4a, é comprimido por uma força que atua transversalmente à direção longitudinal da fibra 1, a forma esférica terá um formato mais oblongo, com a dimensão do nao varia o elemento

22/35 elemento prisioneiro 4 sendo aumentada na direção longitudinal da fibra 1. O prolongamento do elemento prisioneiro 4 na direção longitudinal da fibra 1 é transferido para a seção da fibra localizada dentro do elemento prisioneiro 4, devido ao contato de adesão formado entre o elemento prisioneiro 4 e a superfície da fibra 1. A deformação correspondente resulta em um aumento da fibra de grade de Bragg 3 e assim em um maior espaçamento de grades. O maior espaçamento de grades dá ainda origem a uma alteração no comprimento de onda de luz refletida na grade de Bragg 3.

Os materiais adequados para a fabricação de um componente prisioneiro 4a são, por exemplo, elastômeros e em particular elastômeros de silicone como, por exemplo, borracha silicone. Porém, podem ser usados quaisquer materiais com elasticidade suficiente no sentido acima indicado, como por exemplo, borrachas não saturadas ou saturadas, elastômeros termoplásticos, vulcanizados termoplásticos, poliuretano termoplástico, olefinas termoplásticas, resilina, elastina ou borracha de polissulfeto.

Apesar de o componente prisioneiro 4a ser mostrado na Figura 2 tendo forma esférica, não é limitado a essa forma. Também não é necessário que o elemento prisioneiro 4 circunde a fibra 1 como mostrado, já que também o elemento prisioneiro 4 sendo unido à fibra 1 em somente um dos lados 25 permite a transferência de um alongamento ou de uma contração do elemento prisioneiro 4 para a respectiva seção da grade de Bragg 3 da fibra 1. O único pré-requisito para isso é uma união não positiva entre o elemento prisioneiro 4 e a superfície

23/35 externa da fibra 1, isto é, uma conexão entre a área parcial da superfície circunferencial da fibra e a superfície do componente prisioneiro 4a, permitindo a transmissão de força. É preferida a disposição unilateral do elemento prisioneiro 4 na fibra 1, quando a fibra 1 é suportada por uma superfície dura de um objeto ou em um limite entre uma camada dura e uma camada flexível de um material ou objeto composto.

Entretanto, se o sensor de fibra de Bragg 10 for usado integrado com um material flexível, será preferida a geometria rotacionalmente simétrica do componente prisioneiro

4a, como a esfera mostrada ou um formato que pareça substancialmente um alongado (tipo charuto) ou oblongo (tipo disco) esferóide, um cone duplo, um disco, um cilindro, um cilindro protuberante ou similares geometrias mais rotacionais.

Um exemplo dê uma geometria rotacional com formato irregular é, por exemplo, ilustrado na Figura 5 para o componente prisioneiro 4a, assim como para o componente prisioneiro 4b.

Podem haver aplicações onde o sensor de fibra de Bragg 10 seja usado para medições de pressão isotrópicas.

Nesse caso, as forças de pressão atuam no componente prisioneiro 4a de forma igual em todos os lados, de maneira que o componente prisioneiro 4a praticamente não se deforma quando for somente elástico, mas não compressível. Para permitir uma respectiva medição de pressão, o componente prisioneiro 4a é, portanto feito de um material com propriedades tanto elásticas como compressivas. Ao usar um material compressível como, por exemplo, um polímero de espuma, uma crescente pressão ambiente reduz o tamanho do componente prisioneiro 4a, que será ainda

24/35 transferido para a grade de Bragg 3, permitindo uma medição dè pressão pelo monitoramento do comprimento de onda refletido na grade de Bragg 3.

Usando um elemento prisioneiro elástico 4, cuja compressibilidade é adaptada à aplicação respectiva permite uma medição das forças que atuam transversalmente à direção longitudinal da fibra da grade de Bragg e também a medição de pressões ambiente uniformes. Um sensor de fibra de Bragg 10 com um elemento prisioneiro compressivel 4 pode assim ser usado como um sensor de pressão integrado em uma cobertura do rolo 6 usada em máquinas para a fabricação de papel. É mostrada a respectiva integração de um sensor de fibra de Bragg 10 com uma geometria de acordo com Figura 2 na Figura 7. Se somente for necessária a detecção de forças de pressão transversais à direção longitudinal, ~ã forma esférica do elemento prisioneiro 4 que circunda a fibra 1 é, de preferência substituída por uma forma mais do tipo de bloco localizada no lado da fibra 1 exposta às forças.

O elemento prisioneiro 4 usado nos sensores de fibra de Bragg 10 supra-mencionados deve ser visto como um elemento transdutor de pressão e/ou de força redirecionando o impacto na direção longitudinal da fibra 1. O elemento prisioneiro 4 pode ser formado como um elemento individual unido não positivamente à fibra 1 com o uso de adesivos ou de outras técnicas de conexão, mas também como parte integral da própria fibra ótica 1, por exemplo, como um bolsão do revestimento de proteção, formado, por exemplo, dentro da camada retentora de resina resistente de revestimento.

25/35

O modulo de Young dos màteriais preferidos para a fabricação do componente prisioneiro 4a se situa, de preferência abaixo de 10 kN/mm². Se o modulo de Young não se aplicar para a caracterização da elasticidade ou da flexibilidade de um material usado, pode ser usado um material caracterizado por um módulo secante exibindo uma deformação comparável.

A Figura 3 mostra uma forma modificada da configuração da Figura 2. O elemento prisioneiro 4 é, nesta configuração, composto por dois componentes, um primeiro 10 componente interno 4a e um segundo componente externo 4b, internalizando o componente interno 4a. O componente interno 4a é, de preferência feito de um material elástico de uma mínima compressibilidade. 0 componente externo 4b, entretanto é feito de um material elástico de alta compressibilidade. Como indicado 15 acimaj um objeto-está no contexto desta especificação como sendo compressível, quando seu volume muda em resposta a uma alteração na pressão à qual está exposto. A compressibilidade de um material pode ser caracterizada por seu módulo de elasticidade volumétrica, indicando a alteração relativa de volume em 20 resposta a uma alteração de pressão ao comprimir uniformemente o objeto feito com aquele material. Os materiais adequados para a fabricação do segundo componente 4b são, por exemplo espumas poliméricas macias, espumas de plásticos ou espumas macias.

A configuração do sensor de fibra de Bragg 10 25 ilustrada na Figura 3 é particularmente adequada para ser integrada em material elásticos como, por exemplo, coberturas de rolos para máquinas para a fabricação de papel como ilustradas na Figura 8. Quando parte da cobertura do rolo com a

26/35 seção de medição do sensor 10 nela integrada, isto é, a seção compreendendo o elemento prisioneiro 4 à volta ou na fibra da grade de Bragg 3, se localiza dentro da seção do vão entre dois rolos de cooperação, a superfície externa do elemento prisioneiro 4 é pressurizada de maneira uniforme. Se a alteração de volume da cobertura do rolo 6 sob pressão for transferida para o elemento prisioneiro 4, o componente interno 4a do elemento prisioneiro 4 será aplainado pela pressão, com as partes do componente 4a mais próximas da fibra 1 mantidas no espaço antes ocupado pelo componente externo compressível 4b.

Como a circunferência equatorial do componente interno 4a aumenta quando aplainado, a fibra da grade de Bragg 3 fica sujeita à deformação. É evidente ser também possível usar um elemento prisioneiro 4 tendo uma estrutura girada de noventa graus com relação ao eixo principa 1“ do esferóide 4 sendo orientado perpendicular à direção longitudinal da fibra ótica

1, representando assim um esferóide alongado. Nesse caso, a seção de grade 3 da fibra não é alongada quando a cobertura do rolo 6 é pressurizada, mas contraída.

A forma esferoidal do elemento prisioneiro 4 mostrado na Figura 3 representa somente uma das muitas possíveis formas que podem ser usadas. O componente interno 4a incompressível elástico do elemento prisioneiro 4 mostrado na

Figura 4 tem forma cilíndrica, sendo imprensado entre dois componentes externos 4b de formato cônico tendo suas bases respectivas orientadas face a face. Esta geometria minimiza a deformação do componente interno 4a em sua periferia e maximiza a deformação na junção com a fibra 1. Em muitos casos, a função

27/35 desejada já é suficientemente obtida usando componentes externos 4b com formato de tronco de cone. A Figura 5 dá um exemplo de uma geometria de elemento prisioneiro proporcionando uma transformação não linear de uma variação de pressão em uma 5 variação da deformação induzida em uma fibra de grade de Bragg

3. Quando um sensor de fibra de Bragg 10 com um elemento prisioneiro 4 de acordo com Figura 5 é integrado em uma cobertura do rolo 6, devem ser consideradas duas características de deformação ao calcular a deformação imposta 10 na seção de medição 3 da fibra 1: a alteração do passo entre as duas estruturas laterais toroidais e o alongamento ou a compressão da parte central à volta da fibra 1 . Para baixas pressões, as seções toroidais são principalmente pressionadas para os lados, e para maiores pressões, o elemento prisioneiro 15 interno 4a é alongado na região perto da fibra T.

Ao integrar um sensor de fibra de Bragg 10 de acordo com uma configuração ilustrada na Figura 2 em uma cobertura do rolo 6, por meio do qual o elemento prisioneiro 4 é feito de um material elástico, incompressível, a integração 20 é, de preferência, realizada como ilustrada na Figura 6. O elemento prisioneiro 4 se localiza dentro de uma cavidade 5 formada no material de integração 6, especialmente na cobertura do rolo 6, por meio do qual o elemento prisioneiro 4 fica em contato com os dois lados opostos da cavidade 5. Após a integração 6 ser pressurizada, as forças de pressão são transferidas pelas faces de contato com o elemento prisioneiro

4, deformando-as de forma que a circunferência do elemento prisioneiro 4 perto da fibra 1 aumenta provocando uma

28/35 deformação fia fibra da grade de Bragg 3.

Quando nenhum dos valores absolutos das forças de pressão presentes dentro da cobertura do rolo 6 são de interesse, além de suas respectivas dinâmicas, a configuração da Figura 7 pode ser usada com o elemento prisioneiro 4 sendo formado por um material elástico incompressivel. Como as forças de pressão estática têm uma distribuição isotrópica dentro do vão da cobertura do rolo dentro da seção de dois rolos, somente frentes de ondas de pressão resultam em uma deformação mensurável do elemento prisioneiro 4. Combinando uma seção de medição integrada como a descrita com outras como descrito acima, permite um monitoramento do perfil de pressão presente em uma seção do vão entre dois rolos de uma cobertura do rolo 6, ambas com relação à dinâmica da pressão e a distribuição da pressão de aperto dentro do vão entre dois rolos.”

Quando são usados sensores de fibras óticas 10 com mais de uma grade de Bragg 3, as grades de Bragg 3 diferem favoravelmente umas da outras por seus respectivos espaçamentos de grades. Assim, a faixa dos comprimentos de onda nos guais é encontrado um sinal de medição, permite a identificação da grade 3 da gual se origina o sinal. Como o comprimento de onda da luz' refletida em uma grade de Bragg 3 muda de acordo com o deformação lá presente, a variação do espaçamento de grades das grade de Bragg 3 para a grade de Bragg 3 tem que produzir uma alteração do comprimento de onda causada pela máxima deformação admissível na grade 3.

Ainda deve ser notado que os elementos prisioneiros 4 não se localizam necessariamente diretamente nas

29/35 seções da grade de Bragg de ura sensor de fibra 10, mas lateralmente a ele, de maneira que cada grade de Bragg é flanqueada por um par de elementos prisioneiros transdutores de pressão 4. Um alongamento dos elementos prisioneiros 4 na região da fibra resulta então em uma compressão da grade de Bragg 3 localizada entre cada par de elemento prisioneiros 4 com os mesmos efeitos físicos acima descritos.

A ilustração da Figura 9 mostra uma representação esquemática de um sistema de medição de fibra ótica 100 usando dois sensores de fibra de Bragg 10 de acordo com uma das configurações explicadas acima ou abaixo. Apesar de cada fibra 1 ser mostrada com somente quatro seções de medição representadas pelos esferóides achatados nos polos 4, é apreciado pelos técnicos no assunto que o número de seções de medição dentro dê uma fibra 1 assim como o número de fibras 1 usadas no total é determinado de acordo com a tarefa de medição dada e não limitado à configuração ilustrada.

A parte superior da Figura 9 mostra a configuração do princípio do sistema de medição de fibra ótica 100, e a parte inferior da Figura contém uma representação esquemática do sensor espectral 105 usado no sistema 100.

— Uma fonte luminosa de banda larga 104 como, por exemplo, um Diodo Emissor de Luz Superluminescente (SLED) emite luz dentro de uma determinada faixa de comprimento de onda, por exemplo, uma faixa cerca de 800 nm a cerca de 850 nm. A luz se propaga pela vazão ótica da fibra 101 e por um seguinte acoplador ótico de fibra 103 em um conjunto sensor de fibra ótica formado por um ou mais sensores de fibras óticas 10

30/35 integradas dentro da cobertura do rolo material 6. Os sensores óticos 10 são, de preferência, formados por guia de onda de modo simples para fibra óticas 1 tendo grade de Bragg 3 aí inscrita com elemento prisioneiros 4 unidos a cada seção de fibra 5 acomodando uma grade de Bragg 3. Os espaçamentos médios de grades das seções de medição diferem entre si para permitir uma medição multiplexada de comprimento de onda.

Para aumentar o número de seções de medição dentro de uma fibra 1, as grades de Bragg 3 são agregadas em grupos 12 como, por exemplo, indicado na Figura lc. Dentro de um grupo 12, é usado um diferente espaçamento de grade para cada grade de Bragg 3. Em diferentes grupos 12 são usados espaçamento de grades similares ou iguais. Uma seção de fibra ótica 11 não contendo grade de Bragg 3 separa os grupos entre si. A seção 11 tem um comprimento considerável para permitir uma clara distinção dos sinais de medição óticos pelos diferentes tempos de propagação envolvidos com as diferentes distâncias dos grupos de grades de Bragg 3 até a fonte luminosa e o sensor espectral 105. Um sistema de medição de fibra ótica 100 usando os respectivos sensores de fibras óticas 10 é denominado um sistema combinado de multiplexação de comprimento de onda e multiplexaçãó de tempo. Como o comprimento da fibra ótica 1 entre dois grupos 12 de grades 3 deve ser longo em relação à dimensão dos grupos, essas seções intermediárias 11 são dispostas, de preferência dentro da cobertura do rolo 6 em um arranjo helicoidal de pequeno passo, enquanto as seções do grupo de grades de fibra 12 são dispostas favoravelmente ao longo do comprimento da cobertura do rolo 6, mais ou menos em

31/35 paralelo ao eixo do rolo 8.

Os comprimentos das grades de Bragg 3 em um sensor de fibra ótica 10 variam entre cerca de 2 a cerca de 10 mm, por meio do qual é preferido um comprimento médio da grade 5 de Bragg 3 de cerca de 6 mm. Devido ao grande comprimento das grades 3, são favoravelmente usados elementos prisioneiros elipsoidais 4 com o eixo principal coaxial ao eixo da fibra. Os elementos prisioneiros 4 juntamente com as grades de Bragg 3 por eles circundadas formam as seções individuais de medição dos sensores de fibras óticas 10. A luz refletida nas várias grades de Bragg 3 são do sensor de fibra ótica 10 no meio de acoplamento 103 e passa para a guia de onda para fibra ótica 102 que leva ao policromador 105 que serve como um sensor espectral para a conversão sensível a comprimento de onda dos sinais óticos de medição^-êm~sinais elétricos. As informações espectrais que transportam os sinais de medição elétricos são então transferidas para um meio para o processamento de sinais 106 que pode ser implementado em parte no local do policromador 105 e em parte remoto ao mesmo. Como a parte remota não está normalmente no rolo 20 que suporta os sensores de fibras óticas 10, os dados são, de preferência trocados entre as duas ou talvez mais partes do meio para o processamento de sinais 106 por meio de um link de rádio.

A parte inferior da Figura 9 mostra a configuração básica de um policromador 105 que pode ser usado como sensor espectral. A luz entra na configuração pela divagem de entrada 108 na saída de um elemento para acoplamento 107 que finaliza a guia de onda para fibra ótica 102. O feixe de

32/35 luz emitida 111 se amplia e iluminã umá grãdè refletiva 109 dotada de superfície curva. A curvatura da grade é adaptada para focalizar cada componente espectral 112, 113 do feixe de luz 111 sobre um diferente local de um meio fotossensível 110, como, por exemplo, a Dispositivo de Carga Emparelhada (CCD), que produz sinais elétricos de acordo com o local de sua respectiva geração.

Para reduzir a quantidade de dados de medição que deve ser transferida da parte do meio de processamento 106 localizada perto do meio sensor espectral 105 para a parte remota, é empregada a sub-amostragem. Sub-amostragem significa que somente uma ou algumas amostras são colhidas de cada sinal de medição por vez. A amostragem é repetida a cada nova ocorrência do sinal, mas com posições de amostragem um pouco mudadas. Supondo que as alterações de sinais são muito lentas comparadas com a taxa de amostragem (isto é, a frequência com a amostragem é repetida), o sinal de medição pode ser restaurado com precisão suficiente a partir dos dados sub-amostrados.

No presente caso, o sinal de medição se relaciona com a pressão na cobertura do rolo 6 que passa pela seção do vão entre dois rolos. Exceto por defeitos especiais como, por exemplo, uma fratura de rolo ou similar, o perfil de pressão no vão entre dois rolos muda somente muito lentamente, se existir. Assim, os sinais de medição obtidos com sensores de fibra de Bragg 10 localizados na cobertura do rolo 6 serão idênticos ou quase idênticos nas revoluções subsequentes do rolo 20. Isso dá a possibilidade de amostragem das forças de pressão somente uma vez ou algumas vezes por revolução do rolo,

33/35 mas em um ângulo de revolução um pouco áltérado de uma medição para a próxima. A medição de pontos proporciona uma redução significativa da taxa de medição sem prejudicar a precisão da representação do perfil de pressão.

A fonte luminosa 104, as guias de onda 101 e

102, o acoplador 103, o sensor espectral 105, e o local módulo do meio para o processamento de sinais 106 são, como acima mencionado, de preferência montados no recesso 23 dentro do alojamento 30 localizado na lateral do rolo 20 que suporta o sensor da cobertura do rolo 100 como mostrado na Figuras la a lc. 0 alojamento 30 é, de preferência fixo de forma removível ao núcleo do rolo 21. Devido às forças centrífugas envolvidas, a fonte luminosa é orientada para a emissão da luz em uma direção radial do eixo de rotação dos rolos 8. Portanto, somente a distância entrega área de”emissão luminosa da fonte de luz 104 e a fibra 101 pode alterar a velocidade de rotação do rolo 20, mas não o ajuste lateral da fibra ótica 101 com relação à fonte luminosa 104, garantindo assim uma acoplagem confiável da luz na guia de onda para fibra ótica.

O policromador 105 é favoravelmente montado em um plano orientado tangencialmente com relação à rotação do rolo 20, resultado em- que todos os componentes do sistema ótico serem expostos a substancialmente as mesmas forças. Com os componentes óticos não sendo assim sujeitos a forças divergentes, os caminhos óticos do policromador 105 não são afetados pela rotação do rolo. Os vetores de forças divergentes possivelmente existentes perto das bordas da placa base do policromador (localizada a uma distância um pouco maior do centro de rotação)

34/35 são compensados pela aplicação de um mãtèriál acumulador colocado abaixo da placa base e do alojamento rotativo, que é feito significativamente mais fino ou macio na região central da placa base.

Em uma configuração diferente do sistema de medição de fibra ótica 100, são usados sensores em fibra com grade de Bragg 1 sem um elemento prisioneiro 4 para a transformação das forças transversais. É mostrado um sistema de medição de fibra ótica respectivamente modificado 100 na Figura

10. A fibra 1 contendo a grade de Bragg 3 é integrada na cobertura do rolo 6 em disposição de serpentina, por meio da qual as deflexões laterais são orientadas na direção radial do rolo, isto é, perpendiculares ao eixo de rotação 8. As grades 3 se localizam entre dois extremos locais do arranjo. Assim, o 15 eixo longitudinal de cada grade de Bragg 3 tem uma componente direcionada na direção radial da cobertura do rolo 6, sendo assim adequada para medir a componente radial da deformação da cobertura do rolo na seção do vão entre dois rolos de cooperação 20. A integração do tipo serpentina pode facilmente 20 ser feita quando a cobertura do rolo 6 for feita em várias camadas. Primeiro é produzida uma camada interna, que será suportada diretamente na proteção 7 de um núcleo do rolo 21. A segunda camada compreende uma série de furos dispostos ao logo de uma linha, do tipo linha pontilhada. A fibra de Bragg 1 é então filetada nos furos ao longo da linha, resultando na configuração desejada de serpentina. Esta camada central que transporta a fibra 1 é então puxada sobre a camada de cobertura interna do rolo e coberta por outra camada ou por uma camada

35/35 final. Diferente da configuração mostrada na Figura 10, parte da deflexão da serpentina pode ser orientada tangencialmente ao rolo 20 para a medição das forças tangenciais.

Infelizmente, o espaçamento de grades das grades de Bragg 3 não está somente submetido à deformação, mas também a mudanças de temperaturas. Para compensar as mudanças de temperaturas dentro de uma cobertura do rolo 6, um dos dois sensores de fibras óticas 10 mostrados na Figura 9 é formado, de preferência por uma fibra da grade de Bragg 1 sem quaisquer elementos prisioneiros 4 nela fixados, por meio do qual a fibra é disposta ao longo do comprimento da cobertura do rolo 6 em paralelo ao eixo do rolo. Como os espaçamentos de grades desta fibra 1 não são assim afetados pela deformação da cobertura do rolo, são somente sensíveis às alterações de temperaturas.

Comparando os sinais de medição obtidos de um dos sensores de fibras óticas 10 explicados acima com os sinais de medição de referência obtidos nesta fibra do sensor 1, permite-se assim a compensação da temperatura dos sinais de medição.

Em uma abordagem diferente, a compensação de temperaturas pode ser obtida na suposição que as condições de temperatura dentro da cobertura do rolo 6 não se alteram em uma revolução do rolo 20. Particularmente quando a altura do pico extremo de pressão no vão entre dois rolos é o único objetivo da medição, pode ser feito o monitoramento de temperaturas usando os sinais de medição da grade de Bragg 3 localizada fora da seção momentânea do vão entre dois rolos, como sinais de referência de temperaturas.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. “ROLO INDUSTRIAL COM SISTEMA SENSOR DE

COBERTURA DO ROLO ÓTICO, compreendendo:

- um núcleo do rolo (21) tendo uma seção com uma geometria substancialmente cilíndrica;

- uma cobertura do rolo (6) revestindo a seção cilíndrica do núcleo do rolo (21) pelo menos em parte; e

- um ou mais sensores de fibras óticas (10) integrados na cobertura do rolo (6) e/ou localizados no intermédio da cobertura do rolo (6) e o núcleo do rolo (21);

caracterizado pelo fato de que um ou mais dos sensores de fibras óticas (10) compreendem pelo menos uma seção de medição que é formada por um sensor de Bragg para fibra transdutora de força transversal (10) compreendendo uma guia de onda para fibra ótica (1) e um elemento prisioneiro (4), com a

guia de onda para fibra ótica (1) compreendendo um núcleo de fibra (2) e um revestimento de fibra, e com o elemento prisioneiro (4) sendo unido não positivamente a uma área

parcial da superfície circunferencial da guia de onda para fibra ótica (1), e onde

- a guia de onda para fibra ótica (1) compreende uma grade de Bragg (3) localizada no núcleo de fibra (2);

- a dimensão da área parcial na direção longitudinal da fibra (1) é maior que o espaçamento de grade da grade de Bragg (3);

- a área parcial se localiza em uma seção da guia de onda para fibra ótica (1) que aloja a grade de Bragg

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2/7

- pelo menos um primeiro componente (4a) do

elemento prisioneiro (4) é formado a partir de um primeiro material com seu módulo de Young inferior a 10 kN/mm². 2. Rolo industrial, de acordo com a

reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a compressibilidade do primeiro material se caracteriza por um módulo de elasticidade volumétrica de preferência maior que 10¹⁰

Pa.

3. Rolo industrial, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o primeiro material tem um módulo de Young inferior a 1 kN/mm², e mais preferivelmente um módulo de Young na faixa de 0,001 a 0,01 kN/mm².

4/7 prisioneiro (4) tem uma geometria rotacionalmente simétrica com o eixo da guia de onda para fibra ótica (1) localizado no eixo de simetria do elemento prisioneiro (4).

4. Rolo industrial, de acordo com a reivindicação 1, 2 ou 3, caracterizado pelo fato de que o sensor de Bragg para fibra transdutora de força transversal (10) compreende pelo menos um segundo componente (4b) formado por um segundo material disposto adjacente ao primeiro componente (4a) com relação à direção longitudinal da guia de onda para fibra ótica (1) e na superfície circunferencial da guia de onda para fibra ótica (1), por meio do qual o segundo material tem um módulo de Young inferior a 10 kN/mm² e uma alta compressibilidade caracterizado por um módulo de elasticidade volumétrica preferivelmente inferior a 106 N/m².

5/7 luminosa de banda larga (104) para enviar a luz para o sensor de fibra ótica (10);

- um acoplador (103) adaptado para acoplar a luz externa de um sensor de fibra de Bragg (10) que tiver sido refletida em uma grade de Bragg (3) do sensor de fibra de Bragg (10) ;

- um sensor espectral (110) para uma conversão sensível a comprimento de onda de luz acoplado fora do sensor de fibra de Bragg (10) nos sinais de medição elétrica;

- um meio para o processamento de sinais (106) para o processamento dos sinais de medição; e

- a meio de transmissão para a transmissão dos sinais de medição processados;

por meio do qual o meio de suprimento do sensor (22) se localiza em uma face lateral na área de borda da superfície circunferencial do rolo (20).

5. Rolo industrial, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o elemento prisioneiro (4) compreende dois segundos componentes (4b)

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3Π adjacentes ao primeiro componente (4a) em lados opostos com relação à direção longitudinal da guia de onda para fibra ótica (1) .

6/7

6. Rolo industrial, de acordo com uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que o sensor de

Bragg para fibra transdutora de força transversal (10) é integrado na cobertura do rolo (6) e/ou no intermédio da cobertura do rolo (6) e o núcleo do rolo (21), com o elemento prisioneiro (4) sendo localizado dentro de uma cavidade (5) formada na cobertura do rolo (6).

7/7 helicoidal à volta do eixo (8) de simetria rotacional do rolo (20) .

7. Rolo industrial, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a dimensão da cavidade (5) na direção longitudinal da guia de onda para fibra ótica (1) é maior que a do elemento prisioneiro (4) naquela direção.

8. Rolo industrial, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o elemento prisioneiro (4) é disposto dentro da cavidade (5) de maneira a deixar um vazio em ambos os lados do elemento prisioneiro (4) com relação à direção longitudinal da guia de onda para fibra ótica (1).

9. Rolo industrial, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o elemento prisioneiro (4) é disposto na guia de onda para fibra ótica (1) com a guia de onda para fibra ótica (1) penetrando no elemento prisioneiro (4).

10. Rolo industrial, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o elemento

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11. Rolo industrial, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o primeiro componente (4a) do elemento prisioneiro (4) tem um formato que lembra uma esfera, um alongado ou um esferóide achatado nos polos, um cone duplo, um disco, um cilindro um cilindro protuberante.

12 . Rolo industrial, de acordo com uma das reivindicações 4 a 11, caracterizado pelo fato de que o segundo componente (4b) do elemento prisioneiro (4) parece um cone ou um

tronco de cone tendo contato com o primeiro componente por sua base.

13. Rolo industrial, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que um revestimento de fibra faz parte da junta não positiva entre o elemento prisioneiro (4) e a superfície circunferencial da guia de onda para fibra ótica (1).

14. Rolo industrial, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que é usada borracha silicone como primeiro material.

15. Rolo industrial, de acordo com uma das reivindicações 4 a 14, caracterizado pelo fato de que é usada uma espuma polimérica como segundo material.

16. Rolo industrial, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por compreender ainda um meio de suprimento do sensor (22) com uma fonte

Petição 870180159409, de 06/12/2018, pág. 8/13

17. Rolo industrial, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que os componentes óticos ( 101, 102, 103, 104, 105, 106 ) do meio de suprimento do sensor são dispostos em uma face lateral da seção cilíndrica do núcleo do rolo (21), de maneira que sejam minimizados os efeitos dos componentes divergentes das forças centrífugas que atuam nos componentes óticos individuais.

18. Rolo industrial, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um sensor de fibra de Bragg (10) compreende mais de uma grade de Bragg (3) com diferentes espaçamentos entre as grades.

Petição 870180159409, de 06/12/2018, pág. 9/13

19. Rolo industrial, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado por compreender grupos de grades de Bragg (12) separados entre si por uma seção de guia de onda para fibra ótica (11) não contendo grades de Bragg (3), com as grades de Bragg (3) dentro de um grupo de grades de

Bragg (12) tendo diferentes espaçamentos de grades (3), e com o comprimento de uma seção de guia de onda para fibra ótica (11) separando dois grupos de grades de Bragg (12) sendo suficientemente longos para permitir um registro em tempos separados da luz refletida nos diferentes grupos de grades de

Bragg (3).

20. Rolo industrial, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que o espaçamento de grades das grades de Bragg (3) dentro de um grupo (12) de grades de Bragg (3) corresponde ao espaçamento de grades (3) de grades de Bragg (3) dentro de outro grupo (12) de grades de

Bragg (3).

21. Rolo industrial, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que pelo menos um sensor de fibra ótica (10) está integrado na cobertura do rolo (6) e/ou no intermédio da cobertura do rolo (6) e o núcleo do rolo (21) substancialmente em paralelo com o eixo (8) de simetria rotacional do rolo (20).

22 . Rolo industrial, de acordo com uma das reivindicações 1 a 20, caracterizado pelo fato de que pelo menos um sensor de fibra ótica (10) está integrado na cobertura do rolo (6) e/ou no intermédio da cobertura do rolo (6) e o

núcleo do rolo (21) substancialmente ao longo de uma linha

Petição 870180159409, de 06/12/2018, pág. 10/13

23. Rolo industrial, de acordo com uma das reivindicações 1 a 20, caracterizado pelo fato de que pelo menos um sensor de fibra ótica (10) está integrado na cobertura do rolo (6) e/ou no intermédio da cobertura do rolo (6) e o núcleo do rolo (21) com pelo menos uma grade de Bragg de uma

fibra (3) sendo orientada em um ângulo entre 10° e 80° com relação à direção circunferencial do rolo (20), e de preferência em um ângulo de 45° com relação à direção circunferencial do rolo (20).

24. Rolo industrial, de acordo com a reivindicação 19 ou 20, caracterizado pelo fato de que uma seção (12) do sensor de fibra de Bragg (10) contendo um grupo de grades de Bragg é orientado em paralelo ao eixo de simetria rotacional do rolo, e onde uma seção (11) do sensor de fibra de

Bragg (10) que separa as duas seções (12) do sensor de fibra de

Bragg, cada uma contendo um grupo de grades de Bragg é orientada ao longo de uma linha substancialmente helicoidal à volta do eixo (8) de simetria rotacional do rolo (20).

25. Rolo industrial, de acordo com uma das reivindicações 22 a 24, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma grade de Bragg (3) localizada em uma seção do sensor de fibra de Bragg (10) orientado ao longo de uma linha substancialmente helicoidal à volta do eixo (8) de simetria rotacional do rolo (20) é ligada a um elemento prisioneiro (4).