BRPI0924731B1

BRPI0924731B1 - Cabo elétrico compreendendo um sensor de deformação

Info

Publication number: BRPI0924731B1
Application number: BRPI0924731-9A
Authority: BR
Inventors: Davide Sarchi; Bernd Knuepfer; Carsten Kemnitz; Arnd-Guenther Carl; Enrico Consonni; Thomas Kittel; Reiner Ewald; Roberto Gaspari
Original assignee: Prysmian S.P.A.
Priority date: 2009-05-27
Filing date: 2009-05-27
Publication date: 2020-03-03
Also published as: AU2009346811B2; BRPI0924731A2; WO2010136062A1; EP2555205A1; CA2948706A1; BR122019014137B1; CA2763272A1; RU2011153385A; CN102460606B; US8953915B2; DK2436015T3; NO2436015T3; EP2436015B1; DK2555205T3; EP2555205B1; EP2436015A1; AU2009346811A1; CA2948706C; CN102460606A; CA2763272C

Abstract

cabo elétrico compreendendo um sensor de deformação é descrito um cabo elétrico compreendendo um sensor de deformação se estendendo longitudinalmente ao longo do cabo e incluindo uma fibra óptica de deformação arranjada em uma região neutra de dobramento envolvendo e incluindo um eixo longitudinal neutro de dobramento do cabo elétrico, e pelo menos dois elementos estruturais longitudinais, pelo menos um dos pelo menos dois elementos estruturais longitudinais sendo um núcleo compreendendo um condutor elétrico, em que o sensor de deformação é embutido em uma carga de transferência de deformação acoplando mecanicamente pelo menos um dos pelo menos dois elementos estruturais longitudinais com o sensor de deformação. com a construção de cabo revelada, a deformação observada por pelo menos um dos pelo menos dois elementos estruturais longitudinais é transferida para o sensor de deformação pelo menos em uma condição deformada. na modalidade preferida, o cabo elétrico é um cabo de trabalho pesado. a invenção diz respeito também a um método para monitorar a deformação e, preferivelmente também, a temperatura de um cabo elétrico. adicionalmente, a invenção está voltada para um sistema de monitoramento de deformação para medir pelo menos a deformação por tração de uma pluralidade de cabos elétricos e, em particular, de uma pluralidade de cabos de trabalho pesado.

Description

“CABO ELÉTRICO COMPREENDENDO UM SENSOR DE DEFORMAÇÃO”

CAMPO DA INVENÇÃO [0001] A presente invenção diz respeito a um cabo elétrico com um sensor de deformação integrado, adequado em particular para a medição de deformações por tração estática e dinâmica.

[0002] A presente invenção está voltada também para um método e sistema de monitoramento para medir pelo menos a deformação em pelo menos um cabo elétrico.

[0003] A presente invenção adicionalmente diz respeito a um sistema e método de monitoramento para detectar deformação em uma pluralidade de cabos elétricos. Em particular, a presente invenção diz respeito a sistema e método de monitoramento usando técnicas de retrodispersão de Brillouin para monitorar uma pluralidade de cabos elétricos instalada em equipamentos móveis.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO [0004] Cabos elétricos, em particular para aplicações de trabalho pesado e/ou para instalações móveis, tais como guindastes portuários móveis, guindastes de contêineres navio-terra, descarregadores de navios, espalhadores e equipamento de mineração e abertura de túneis, são especificamente projetados para suportar condições de ambiente agressivo e altas tensões mecânicas, tais como forças de tração e torques. Como um exemplo adicional de cabos para aplicações de trabalho pesado, cabos de bomba de fundo de poço para suprir corrente a sistemas de bomba a eletricidade submersíveis em poços profundos são normalmente instalados em áreas fisicamente restritas e em ambientes hostis, estando frequentemente em contato com fluidos de poço corrosivos. Tipicamente, os cabos referidos são projetados para ser robustos e flexíveis. Na presente descrição, referiremos em geral a cabos de trabalho pesado, quando for feita referência a cabos para aplicações de trabalho pesado e, em particular, mas não exclusivamente, para instalações móveis.

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 10/68 / 54 [0005] Um exemplo de cabo elétrico de trabalho pesado é provido em DE 3934718, que descreve um cabo de saída blindado para carregadeiras de roldana em minas.

[0006] WO 01/78086 revela um cabo elétrico em particular para uso em um sistema de coleta tal como um sistema de guindaste ou prateleira. O cabo compreende um núcleo, que inclui primeiros condutores, completamente envoltos e embutidos em uma primeira matriz de suporte de tensão. Pelo menos uma camada adicional é disposta em torno da primeira matriz de suporte de tensão e tem pelo menos um condutor adicional na camada adicional que é completamente envolto e embutido em uma segunda matriz de suporte de tensão. Considera-se que matrizes de suporte de tensão no cabo permitem a distribuição de tensão através do cabo e assim reduzem substancialmente o efeito saca-rolhas.

[0007] Cargas de tração e torção em um cabo móvel podem resultar de condução forçada do cabo durante as fases de enrolamento e desenrolamento em carretéis ou da coleta do cabo em cestas (por exemplo, para cabos do espalhador). Fases de enrolamento e desenrolamento são tipicamente descontínuas e frequentemente abruptas, por exemplo, quando causadas por um movimento horizontal de um guindaste, impondo assim expressivas cargas de tração dinâmicas no cabo, e assim nos condutores individual no cabo. Além do mais, outros sistemas para movimento do cabo, tais como sistemas de polia e sistemas de escaler, em geral envolvem altas cargas de tração no cabo durante operação.

[0008] Alongamento excessivo do cabo pode fazer com que as cargas de tração sejam transferidas para os condutores elétricos com consequente dano destes. Cargas de tração excessivas e/ou prolongadas podem resultar em um alongamento permanente do cabo, que reduziria sua vida.

[0009] US 5.767.956 descreve o uso de retrodispersão de luz de Brillouin para prover um dispositivo de monitoramento que é capaz de

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 11/68 / 54 observar, em tempo real, se uma fibra óptica é normal ou se está à beira da fratura. O dispositivo usa reflectometria óptica de domínio de tempo (OTDR) para monitorar uma luz de dispersão de Brillouin estimulada utilizando núcleos de fibra óptica em um cabo óptico. Não é feita nenhuma alusão a respeito do uso em um cabo elétrico.

[00010] WO 08/073033 descreve um sistema para monitorar o dobramento e deformação de um cabo de força conectado em uma plataforma ao largo móvel medindo a deformação em fibras ópticas anexadas ou incorporadas no cabo de força. Um dobramento no cabo de força dará origem a uma deformação na fibra óptica e esta deformação mudará as propriedades ópticas da fibra. A mudança nas propriedades ópticas pode ser medida por meio de reflectômetro óptico no domínio de tempo (OTDR) ou reflectômetro óptico no domínio de frequência (OFDR).

[00011] Este documento não aborda o problema de proteger o sensor de deformação de tensões mecânicas externas a fim de evitar dano do sensor e garantir confiabilidade das medições a longo prazo. Ao contrário, a aplicação estabelece que existe um risco de que as fibras ópticas embutidas ou anexadas no cabo podem ser danificadas e assim é sugerido equipar o cabo com fibras redundantes. Além disso, não é mencionado o problema de transferência de deformação entre as fibras e o cabo a ser medida. Como possível localização para a fibra, os interstícios entre cabos de blindagem são mencionados.

[00012] US 2004/0258373 descreve um cabo composto, que pode ser embutido em construções, cordão umbilical ou tubulações, compreendendo dispositivo óptico para monitorar temperatura e deformação. O cabo compreende um invólucro protetor externo e dispositivo óptico para monitorar temperatura e deformação, o dito dispositivo óptico sendo dentro do dito invólucro protetor externo e compreendendo: um primeiro tubo incluindo pelo menos uma primeira fibra óptica a fim de monitorar a temperatura, a dita primeira fibra óptica sendo folgada no dito primeiro tubo e

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 12/68 / 54 compreendendo pelo menos uma seção de reflexão denominada rede de Bragg, pelo menos uma segunda fibra óptica incluindo pelo menos uma rede de Bragg a fim de monitorar a deformação, o dito cabo sendo caracterizado em que a dita segunda fibra óptica fica fora do dito primeiro tubo, o dito dispositivo óptico compreendendo adicionalmente dispositivo para apertar a dita segunda fibra óptica.

[00013] Percebeu-se que este documento não revela um cabo elétrico com um sensor de fibra óptica de deformação integrado, ou com um sensor de temperatura integrado. O cabo revelado é um cabo composto que pode incluir cabos de força, entretanto separado das fibras para monitoramento de deformação e temperatura.

[00014] EP 0203249 revela um cabo de força de média tensão (de 6 a 60 kV) que inclui pelo menos uma fibra óptica do sensor de temperatura e/ou tensão.

[00015] Observou-se que o sensor de fibra óptica de deformação revelado integrado no cabo pode ser significativamente afetado pelo dobramento do cabo dependendo da posição da fibra óptica dentro do cabo e/ou da quantidade de dobramento do cabo, em particular quando excede um certo valor.

[00016] Chen Xihao e Huang Junhua, em Strain Transfer Capability of Strain Sensing Optical Fiber Cabe and its Measurement Method, publicado nos Proceedings of 57^o International Wire & Cabe Symposium (2008), páginas 424-428, analisam diferentes estruturas de cabos de fibra óptica de sensoreamento (isto é, cabos para ser usados para sensorear a deformação de um dispositivo ou sistema associado). Considera-se que a compacidade de camadas dentro do cabo de fibra óptica de sensoreamento de deformação é de grande importância e pode ser descrita pela força de remoção entre as camadas de cabo e a capacidade de transferência de deformação, isto é, a máxima deformação que pode ser transferida da camada externa do cabo para

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 13/68 / 54 a fibra interna sem redução.

[00017] Este documento não menciona nenhuma aplicação dos cabos de fibra óptica de sensoreamento revelados para monitoramento de cabo de cabos de força ou elétricos.

[00018] WO 07/107693 revela um cabo de fibra óptica incluindo um elemento de transferência de deformação, uma fibra óptica central disposta através do elemento de transferência de deformação, e uma camisa hermética acoplando mecanicamente a fibra óptica central e o elemento de transferência de deformação. Deformação observada pelo elemento de transferência de deformação é transferida para a fibra óptica central via a camisa hermética.

[00019] O documento não aborda o problema de um cabo elétrico com um sensor de fibra óptica.

[00020] Deparou-se com o problema de como realizar um cabo elétrico, em particular adequado para aplicações de trabalho pesado e mais particularmente para instalações móveis, que permitiria controle e preferivelmente monitoramento em tempo real da deformação por tração ao qual o cabo é submetido durante operação garantindo ainda confiabilidade das medições a longo prazo. Em particular, atacou-se o problema de realizar medições em um cabo elétrico por meio de um sensor que permanece substancialmente inafetado pelas tensões mecânicas externas sem ser deformação por tração impostas no cabo.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO [00021] Por causa das altas tensões mecânicas impostas durante operação, a vida útil típica de um cabo de trabalho pesado (tal como para aplicações de mineração ou instalações de guindaste) é em geral relativamente curta e, dependendo da aplicação específica, pode variar entre alguns meses até alguns anos. Observou-se que seria vantajoso prover um cabo de trabalho pesado que pode ser monitorado durante sua operação. Conhecendo-se a evolução temporal da condição do cabo, uma manutenção periódica efetiva do

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 14/68 / 54 cabo pode ser realizada, por exemplo, é possível ajustar o mau funcionamento do rolo-guia e/ou ajustar os parâmetros de controle eletrônico do sistema de automação no equipamento móvel.

[00022] Verificações periódicas das condições do cabo podem ser feitas fora de linha com um cabo fora de uso ou mesmo removido do equipamento no qual ele foi montado, mas, na prática, tais verificações em geral não são realizadas, em virtude da perda de tempo de trabalho por causa da parada necessária do equipamento ou aparelho que contém o cabo.

[00023] Seria particularmente vantajoso registrar, durante o trabalho do cabo, eventos dinâmicos que induzem picos de deformação elástica, que podem entretanto danificar o cabo por fadiga. Também, um monitoramento como este impediria eventos fora de serviço inesperados e redução de custos relevantes.

[00024] Um objetivo da presente invenção é prover um cabo elétrico com um sensor de deformação capaz de prover leituras para uma faixa substancialmente grande de alongamentos mensuráveis, em particular, de 0,1% a 1%, preferivelmente de -0,2% a 1%. Maiores valores de alongamento, por exemplo, até 2% ou mesmo até 4%, também poderiam ser medidos.

[00025] Em tal caso, pode surgir uma diminuição na velocidade de leitura de dados, que afetaria a coleta de dados em tempo real do cabo monitorado.

[00026] Um outro objetivo da presente invenção é prover um cabo elétrico com um sensor de deformação que mede cargas de tração dinâmicas, em particular, que monitora surtos de deformação em uma porção localizada do comprimento do cabo, determinando assim o dano induzido por fadiga.

[00027] Um objetivo adicional da presente invenção é prover um sistema de monitoramento para detectar dano permanente do cabo elétrico possivelmente causado por desgaste intrínseco ou por uso indevido, por exemplo, pelo uso fora de conformidade com as recomendações providas pelo fabricante do cabo.

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 15/68 / 54 [00028] Ainda um outro objetivo da presente invenção é prover um sistema de monitoramento para monitorar pelo menos a deformação por tração de uma pluralidade de cabos elétricos, em particular de cabos de trabalho pesado instalados em equipamentos móveis.

[00029] Em termos gerais e de acordo com um aspecto, a solução diz respeito a um cabo elétrico compreendendo pelo menos dois elementos estruturais longitudinais e um sensor de deformação de fibra óptica para monitoramento da deformação por tração ao longo do comprimento do cabo. O sensor de deformação compreende uma fibra óptica que se estende ao longo do comprimento do cabo. A fibra óptica do sensor de deformação será referida a seguir também como a fibra óptica de deformação.

[00030] Na presente descrição, os termos elemento estrutural longitudinal indicam uma estrutura semiacabada do cabo elétrico se estendendo de forma substancialmente longitudinal ao longo do comprimento do cabo. Os elementos estruturais longitudinais de acordo com a presente descrição e reivindicações contribuem para função de transporte elétrico do cabo como ficará claro a seguir. Os pelo menos dois elementos estruturais longitudinais compreendidos no cabo elétrico incluem pelo menos um núcleo do cabo.

[00031] O termo núcleo indica uma estrutura semiacabada do cabo elétrico compreendendo pelo menos um elemento condutor elétrico, tal como um condutor elétrico e, tipicamente, pelo menos uma camada isolante envolvendo o condutor elétrico. Nas configurações típicas, os condutores elétricos compreendem uma pluralidade de fios condutores trançados.

[00032] Percebeu-se que, garantindo-se acoplamento mecânico e, em particular, congruência mecânica entre os elementos estruturais longitudinais do cabo elétrico e a fibra óptica do sensor de deformação, a deformação se transfere dos elementos estruturais longitudinais a ser monitorados para a fibra óptica de deformação. Entende-se por congruência mecânica a

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 16/68 / 54 capacidade de duas ou mais partes moverem-se ou suportarem deformação substancialmente como um todo. A congruência mecânica supradescrita permite obter um cabo capaz de prover leituras confiáveis das cargas de tração estáticas e dinâmicas observada em uma faixa relativamente grande de alongamentos. De acordo com um aspecto da invenção, o sensor de deformação é embutido em uma carga de transferência de deformação acoplando mecanicamente o sensor com pelo menos um dos pelo menos dois elementos estruturais longitudinais do cabo. A deformação por tração é expresso como aumento percentual no comprimento do cabo em um comprimento de partida, AL/L, em que L é o comprimento, a saber, como um alongamento linear percentual.

[00033] A deformação por tração origina-se quando o cabo é forçado a estirar pelas forças externas (por exemplo, cargas de tração) na sua direção longitudinal.

[00034] Percebeu-se que o sensor de deformação deve ser integrado no cabo e arranjado de maneira a permanecer substancialmente não danificado pelo dobramento do cabo no seu raio de dobramento mínimo. Em particular, entendeu-se que a fibra óptica compreendida no sensor de deformação deve ficar localizada em uma região neutra de dobramento se estendendo longitudinalmente ao longo do cabo e com uma seção transversal se estendendo de forma substancialmente simétrica em torno de um eixo neutro do cabo, a seguir referida como a região neutra.

[00035] Na forma aqui usada, os termos região neutra visam descrever uma região em torno de um eixo (eixo neutro) onde os alongamentos induzidos por dobramento são mínimos. O eixo neutro pode ser definido como uma linha imaginária ao longo do comprimento do cabo onde, sendo o cabo submetido a dobramento, não ocorre nenhuma deformação longitudinal significante e as tensões de dobramento são mínimas no sensor de deformação. Preferivelmente, o cabo é projetado de forma que o eixo neutro

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 17/68 / 54 fique localizado em uma posição onde a torção que age no cabo determina um alongamento longitudinal mínimo da fibra do sensor.

[00036] Dado um mínimo raio de dobramento para um cabo elétrico, que em geral corresponde ao menor raio de curvatura, pmin, que é permitido para o cabo a fim de evitar qualquer dano permanente, a região neutra pode ser definida como a região onde o sensor de deformação sofre um alongamento não maior que 2%, e preferivelmente não maior que 1%, por causa do dobramento em raios de curvatura não menores que pmin.

[00037] O posicionamento da fibra óptica de deformação na região neutra impede sua ruptura ou dano permanente por causa do dobramento do cabo.

[00038] Em cabos redondos, isto é, cabos com uma seção transversal circularmente simétrica, a região neutra é uma região radial em torno do eixo neutro em um plano seccional transversal do cabo. Nas modalidades preferidas, quando referido a cabos redondos, o eixo neutro é o eixo longitudinal central do cabo. Preferivelmente, o sensor de deformação é disposto ao longo do cabo a uma distância radial do eixo neutro de não mais que 0,02pmin e mais preferivelmente de não mais que 0,01pmin.

[00039] De acordo com um aspecto, a presente invenção está voltada para um cabo elétrico compreendendo um sensor de deformação se estendendo longitudinalmente ao longo do cabo e incluindo uma fibra óptica de deformação arranjada em uma região neutra de dobramento envolvendo e incluindo um eixo longitudinal neutro de dobramento do cabo elétrico, e pelo menos dois elementos estruturais longitudinais, pelo menos um dos pelo menos dois elementos estruturais longitudinais sendo um núcleo compreendendo um condutor elétrico, em que o sensor de deformação é embutido em uma carga de transferência de deformação acoplando mecanicamente pelo menos um dos pelo menos dois elementos estruturais longitudinais com o sensor de deformação. Com o cabo da invenção, a deformação observada por pelo menos um dos pelo menos dois elementos

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 18/68 / 54 estruturais longitudinais é transferida para o sensor de deformação pelo menos em uma condição deformada.

[00040] Cabos de trabalho pesado são projetados para suportar cargas laterais e forças de tração que comprimem os elementos estruturais longitudinais dentro dos cabos. Observou-se que seria vantajoso se o sensor de deformação permanecer substancialmente inafetado pelas compressões laterais do cabo, que, quando afetam a fibra óptica de deformação, podem causar perdas ópticas por causa de microdobramento. Além disso, quando a fibra óptica do sensor de deformação for comprimida, parte da carga lateral, que é aplicada em uma direção transversal a um eixo longitudinal do cabo, poderia ser incorretamente transformada em uma variação na deformação por tração. Em particular, observou-se que, quando uma compressão lateral é aplicada em uma direção ortogonal ou em geral transversal ao eixo longitudinal do cabo, se a compressão lateral for transmitida à fibra óptica, um componente paralelo ao eixo da fibra de deformação pode induzir uma variação de deformação ao longo desse eixo.

[00041] Preferivelmente, o eixo neutro do cabo é selecionado de maneira a não sofrer substancialmente compressão lateral em uma direção transversal à direção longitudinal do cabo. Observou-se que é vantajoso envolver a fibra óptica de deformação com um invólucro protetor para melhorar a resistência mecânica a cargas laterais, o dito invólucro protetor diretamente fazendo contato com a fibra óptica do sensor de deformação opcionalmente protegido. Preferivelmente, o invólucro protetor compreende um compósito reforçado com fibra.

[00042] Um cabo elétrico tipicamente é submetido a um ou mais tratamentos térmicos, em particular processos de cura, durante a sua fabricação, que envolve tratamentos térmicos a temperaturas típicas de cerca de 150-200°C por alguns minutos. Percebeu-se que é preferível que a carga de transferência de deformação e o sensor de deformação compreendam

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 19/68 / 54 materiais resistentes a processos de cura que ocorrem durante a fabricação do cabo no qual o sensor de deformação é integrado, mantendo ainda (1) as propriedades elásticas do sensor de deformação que permitem reversibilidade do sensor de deformação sem deformação permanente do mesmo, pelo menos na faixa onde o cabo apresenta um comportamento elástico, e (2) a resistência a adesão ou alto atrito ao deslizamento indesejado de maneira a manter congruência mecânica entre camadas e elementos do cabo.

[00043] Preferivelmente, o invólucro protetor é feito de um compósito reforçado com fibra no qual as fibras de reforço são fibras de carbono, grafite, boro, aramida, ou de vidro; o polímero embutindo as fibras de reforço é preferivelmente uma resina reticulada, por exemplo, poliéster insaturado, tais como ésteres vinílicos, ou resina de epóxi.

[00044] Preferivelmente, a carga de transferência de deformação é à base de um material de elastômero, mais preferivelmente um elastômero de termocura. A carga de transferência de deformação é pelo menos elástica na faixa de deformação onde o cabo tem um comportamento elástico.

[00045] Percebeu-se que seria vantajoso prover o cabo de força com um sensor de temperatura.

[00046] Temperaturas operacionais de um cabo de trabalho pesado podem variar de -50°C a 90°C, onde -50°C é a temperatura ambiente mínima durante trabalho e 90°C é a máxima temperatura atingida pelos condutores elétricos durante operação. Um aumento longitudinalmente localizado da temperatura interna do cabo, na média em um certo intervalo de tempo (isto é, sem aumento de pico), pode indicar a presença de um dano causando, por exemplo, um aumento da resistência dos condutores e perdas localizadas pelo efeito Joule. Além disso, a carga elétrica influencia a temperatura do cabo geral e assim, com referência ao modelo de Arrhenius que prevê aceleração de falha por causa do aumento de temperatura, o monitoramento da temperatura do cabo permite prever a vida útil restante do cabo e assim uma

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 20/68 / 54 substituição bem planejada do mesmo.

[00047] O monitoramento de temperatura pode ser usado para desacoplar a deformação dos efeitos de temperatura na análise óptica com base em Brillouin.

[00048] A fim de ter uma medição de temperatura influenciada somente pelo estado térmico do vidro de fibra da fibra óptica de deformação, a fibra óptica deve ficar livre de tensões mecânicas e, em particular, deve ficar substancialmente inafetada pela deformação por tração, do cabo no qual ela é integrada. Em algumas modalidades preferidas, um sensor de temperatura é integrado no cabo elétrico, em que o sensor de temperatura compreende uma fibra óptica inserida folgadamente em um módulo se estendendo longitudinalmente trançado com os elementos estruturais longitudinais do cabo. Em tal construção, o grau de folga da fibra (isto é, a quantidade de excesso de comprimento de fibra no tubo) é de maneira tal que o alongamento máximo esperado do cabo (e do tubo de alojamento da fibra) seja completamente compensado, de forma que nenhuma deformação significante seja transferida para a fibra óptica de sensoreamento de temperatura.

[00049] Em algumas modalidades preferidas, o cabo elétrico é um cabo redondo com uma seção transversal substancialmente circular e compreende pelo menos três elementos estruturais longitudinais posicionados radialmente externos com relação ao sensor de deformação.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [00050] A presente invenção será agora descrita com mais detalhes com referência aos desenhos anexos, nos quais algumas modalidades da invenção, mas não todas, estão mostradas. Desenhos ilustrando as modalidades são representações esquemáticas fora de escala.

[00051] Com o propósito da presente descrição e das reivindicações anexas, exceto onde de outra forma indicado, todos números que expressam teores, quantidades, porcentagens, e assim por diante, devem ser entendidos

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 21/68 / 54 sendo modificados em todos os casos pelos termos cerca de.

[00052] Também, todas as faixas incluem pontos máximo e mínimo revelados e incluem qualquer faixa intermediária a eles, que podem ou não ser especificamente enumeradas aqui.

[00053] A figura 1a é uma vista em perspectiva esquemática de um cabo elétrico de acordo com uma modalidade da presente invenção.

[00054] A figura 1b é uma vista seccional transversal esquemática do cabo elétrico mostrado na figura 1a.

[00055] A figura 2a é uma vista em perspectiva esquemática de um sensor de deformação usado em um cabo elétrico da presente invenção.

[00056] A figura 2b é uma vista seccional transversal esquemática do sensor de deformação mostrado na figura 2a.

[00057] A figura 3 é uma vista seccional transversal esquemática de um cabo elétrico de acordo com uma modalidade adicional da presente invenção.

[00058] A figura 4 é uma vista seccional transversal esquemática de um cabo elétrico de acordo com ainda uma outra modalidade da presente invenção.

[00059] A figura 5 é uma vista seccional transversal esquemática de um cabo elétrico de acordo com ainda uma outra modalidade da presente invenção.

[00060] A figura 6 é uma vista seccional transversal esquemática de um cabo elétrico chato de acordo com uma modalidade adicional da presente invenção.

[00061] A figura 7 é um diagrama esquemático para ilustrar os princípios operacionais de uma técnica de retrodispersão com base em Brillouin em um cabo elétrico de acordo com uma modalidade da invenção.

[00062] A figura 8 é uma representação diagramática de um sistema de monitoramento de deformação e temperatura de uma pluralidade de cabos de trabalho pesado montada em equipamentos móveis de acordo com uma

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 22/68 / 54 modalidade da presente invenção.

[00063] A figura 9 é uma vista lateral parcial ao longo da linha C-C ilustrando um guindaste de trabalho pesado do sistema de monitoramento da figura 8.

[00064] A figura 10 é um diagrama esquemático ilustrando os princípios de operação de um sistema de monitoramento de uma pluralidade de cabos de trabalho pesado, em uma modalidade da presente invenção.

[00065] A figura 11 é uma representação diagramática de um sistema de monitoramento de deformação e temperatura de uma pluralidade de cabos de trabalho pesado montado em equipamentos móveis de acordo com uma modalidade adicional da presente invenção.

[00066] A figura 12 é um diagrama esquemático ilustrando os princípios de operação de um sistema de monitoramento de uma pluralidade de cabos de trabalho pesado, em uma modalidade adicional da presente invenção. DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO [00067] As figuras 1a e 1b ilustram, respectivamente, uma vista em perspectiva e uma vista seccional transversal de um cabo elétrico de acordo com uma modalidade da presente invenção. O cabo mostrado desta modalidade pode ser adequado para aplicações de trabalho pesado, mais particularmente para instalações móveis. O cabo 1 é um cabo redondo compreendendo três núcleos 2 radialmente arranjados em torno de um eixo longitudinal central Z (visível na figura 1a) do cabo. Os núcleos 2 podem prover transmissão de energia trifásica. O cabo 1 pode ser um cabo de força de baixa ou média tensão, onde baixa tensão indica uma tensão de até 1 kV e média tensão indica uma tensão de 1 kV a 60 kV. Cada núcleo 2 compreende um condutor elétrico 12, por exemplo, um condutor de cobre formado por um feixe de fios elétricos de cobre estanhados ou nus trançados entre si de acordo com métodos convencionais. Na posição externa radial com relação a cada condutor elétrico 12, camada semicondutora interna 13, uma camada isolante

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 23/68 / 54

16, uma camada semicondutora externa M são sequencialmente providas. A camada semicondutora interna 13, camada isolante 16 e camada semicondutora externa 17 são feitas de materiais a base de polímero que podem ser extrusados um por cima do outro ou coextrusados no condutor 12. A camada isolante 16 pode ser, por exemplo, de borracha de etileno propileno reticulada (EPR); as camadas semicondutoras interna e externa 12 e 17 podem ser, por exemplo, de EPR, terpolímeros de etileno/propileno/dieno (EPDM) ou uma mistura destes, carregados com uma quantidade adequada de um carga condutora, que pode ser tipicamente negro-de-fumo.

[00068] Alternativamente, sempre as condições operacionais assim permitirem, tanto a camada isolante quanto as camadas semicondutoras podem ser feitas de compostos termoplásticos, tais como compostos a base de polipropileno.

[00069] Em algumas aplicações, o núcleo do cabo 2 compreende pelo menos uma camada de tela metálica em uma posição radialmente externa com relação à camada semicondutora externa 17.

[00070] Deve-se entender que a descrição apresentada de núcleos 2 representa somente uma das possíveis estruturas dos núcleos compreendidos no cabo elétrico, que em geral podem ser núcleos de fase para transmissão de energia ou aterramento, núcleos para portar sinais de controle ou núcleos que portam tanto sinais de energia quanto de controle.

[00071] De acordo com um recurso da invenção, o cabo elétrico 1 compreende um sensor de deformação de fibra óptica 5.

[00072] Por causa do fato de que cabos de trabalho pesado sofrem frequentes tensões mecânicas durante sua vida útil, percebeu-se que é de particular relevância localizar o sensor de deformação dentro do cabo de uma maneira tal que a fibra óptica de deformação não seja danificada pelo dobramento do cabo em qualquer raio de curvatura que não é menor que o mínimo raio de curvatura, pmin, que corresponde ao mínimo raio no qual o

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 24/68 / 54 cabo pode ser dobrado sem dano permanente. O dobramento do cabo induz a um alongamento no sensor de deformação. Observou-se que o sensor de deformação em geral não é danificado pelo dobramento do cabo em raios de curvatura não menores que pmin quando a deformação longitudinal induzida pelo dobramento for menor que a deformação aplicada na fibra em um teste de deformação de tipicamente 1 ou 2%.

[00073] A região do cabo se estendendo ao longo do comprimento do cabo em que a fibra óptica de deformação permanece não danificada por causa do dobramento do cabo é definida como a região neutra (dobramento) do cabo. Em cabos redondos, em um plano seccional transversal do cabo, a região neutra é uma região radial em torno do eixo neutro, que corresponde na presente modalidade ao eixo longitudinal central Z.

[00074] Preferivelmente, na região neutra do cabo óptico, o sensor de deformação é submetido a um alongamento menor ou igual a 2%, mais preferivelmente menor ou igual a 1%, por causa do dobramento a pmin.

[00075] Observou-se que os valores de pmin especificados para cabos de trabalho pesado, especialmente para aplicações em equipamentos móveis, podem ser relativamente baixos, por exemplo, 250 mm, e assim, a fim de garantir resistência ao dobramento do sensor de deformação, a região neutra deve ter uma distância radial relativamente pequena do eixo longitudinal central, por exemplo, não maior que 5 mm. Por exemplo, sempre com referência a cabos redondos, para pmin = 300,mm, a distância radial a fim de ter 1% de alongamento é de 3 mm. Em algumas modalidades preferidas, a região neutra é disposta ao longo do comprimento do cabo em uma distância do eixo longitudinal central (a saber, o eixo neutro) de não mais que 0,02 pmin e preferivelmente de não mais que 0,01 pmin.

[00076] Em particular, observou-se que o posicionamento do sensor de deformação substancialmente ao longo do eixo longitudinal central pode ser vantajoso em virtude de, em alguns casos práticos, corresponder a um eixo de

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 25/68 / 54 simetria dos núcleos radialmente externos e/ou, como descrito a seguir, pode ser compatível com um processo de fabricação de cabo simplificado.

[00077] Adicionalmente aos núcleos 2 para transmissão de sinais de energia e/ou controle, o cabo elétrico 1 compreende pelo menos um condutor terra 7. Na modalidade mostrada nas figuras 1a e 1b, o cabo compreende dois condutores terra 7, por exemplo, na forma de um feixe de fios elétricos de cobre estanhados ou nus trançados. Especialmente para aplicações de média tensão, o feixe de fios elétricos dos condutores terra pode ser envolto por uma camada semicondutora (não mostrada nas figuras). Os condutores terra 7 são arranjados radialmente externos com relação ao sensor de deformação 5 e são trançados entre si com os núcleos 2 ao longo de uma direção longitudinal do cabo. Em particular, os núcleos 2 e condutores terra 7 são enrolados helicoidalmente em torno do eixo longitudinal central Z do cabo de acordo com métodos convencionais.

[00078] Na modalidade mostrada nas figuras 1a-1b, o cabo 1 compreende um elemento de fibra óptica 3 incluindo uma pluralidade de fibras ópticas, por exemplo, de 6 a 24 fibras, para transmissão de sinais de controle, voz, vídeo e outros sinais de dados. Uma única fibra óptica ou um par de fibras pode ser inserido em uma construção de isolamento de tubo folgado em módulos se estendendo longitudinalmente 19, preferivelmente feitos de um material flexível tais como poli(tereftalato de butileno) (PBT) ou etileno tetrafluoroetileno (ETFE). No exemplo ilustrado, os módulos contendo as fibras são enrolados helicoidalmente SZ em torno de um elemento de resistência longitudinal 18, sendo, por exemplo, uma fibra de vidro, um filamento de aramida ou uma fibra de carbono. O elemento de fibra óptica 3 pode ser trançado com os núcleos 2 e condutores terra 7. Em geral, se a construção de cabo assim permitir, os condutores terra e o elemento de fibra óptica podem ser arranjados nos interstícios externos formados pelos núcleos

2.

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 26/68 / 54 [00079] Os núcleos 2 e, se presentes, condutores terra 7 e/ou o elemento de fibra óptica 3 são coletivamente referidos como os elementos estruturais longitudinais do cabo elétrico.

[00080] A deformação por tração observada pelo cabo elétrico deve ser transferida para o sensor de deformação para medir a deformação do cabo. Para transferência de deformação, o sensor de deformação é mecanicamente congruente com pelo menos um elemento estrutural longitudinal no cabo de uma maneira tal que a deformação observada por pelo menos um elemento estrutural longitudinal seja pelo menos parcialmente, mas significativamente, transferida para o sensor de deformação. Com esta finalidade, o sensor de deformação 5 é embutido em uma carga de transferência de deformação 6 que acopla mecanicamente o sensor de deformação com pelo menos um elemento estrutural longitudinal do cabo elétrico. Preferivelmente, a carga de transferência de deformação acopla mecanicamente o sensor de deformação em cada qual dos núcleos integrados no cabo elétrico, mais preferivelmente com cada qual dos elementos estruturais longitudinais arranjados circunferencialmente.

[00081] Percebeu-se que o relacionamento entre a deformação medida pelo sensor de deformação e a deformação observada pelo cabo, isto é, por pelo menos um elemento estrutural longitudinal do cabo, deve ficar de maneira tal que um alongamento observado pelo cabo elétrico seja inequivocadamente correlacionado com o alongamento da fibra óptica do sensor, e assim com os valores medidos da deformação.

[00082] Foi entendido que, a fim de garantir correlação inequivocada entre o alongamento do sensor de deformação e a do cabo elétrico, o contato entre carga de transferência de deformação e o pelo menos um elemento estrutural longitudinal não deve apresentar perdas de deslizamento significantes pelo menos na condição deformada. Na maioria dos casos de interesse, uma ausência substancial de perda de deslizamento entre o sensor e

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 27/68 / 54 elementos implica em uma aderência com atrito ou ligação entre eles. Um acoplamento mecânico entre dois elementos causando substancialmente a mesma deformação em decorrência de nenhuma perda de deslizamento significativa entre os elementos é aqui referido como congruência mecânica.

[00083] Na modalidade ilustrada nas figuras 1a-1b, a configuração geométrica da carga de transferência de deformação 6 é de maneira tal que a carga faça contato com uma pluralidade de elementos estruturais longitudinais posicionada em posição externa radial com relação ao sensor de deformação 5, também quando o cabo estiver em uma condição substancialmente não deformada.

[00084] A partir da construção geométrica do cabo elétrico e do número de elementos estruturais longitudinais integrados no cabo, a carga de transferência de deformação 6 das figuras 1a e 1b tem uma forma aproximada de um trevo.

[00085] Na forma aqui usada, entende-se por condição substancialmente não deformada é para descrever uma condição de referência do cabo elétrico com uma deformação de referência média na fibra do sensor de deformação, que pode corresponder a uma condição antes de manuseio do cabo de seu tambor original provido pelo fabricante, tais como antes da transferência para carretéis de enrolamento e ancoragem ou sistemas de polia e escaler. Na maioria dos casos práticos, entretanto, o condição de referência refere-se ao cabo depois da instalação no equipamento móvel, isto é, depois da transferência do tambor original, e antes do emprego, assim antes de ser exposto a cargas tensionais relevantes. Uma condição de referência preferida pode corresponder ao estado do cabo montado no guindaste, o guindaste sendo estabelecido na sua extensão máxima, isto é, o cabo é desdobrado em grande parte de seu comprimento. Medições feitas mostraram que, na condição substancialmente não deformada, em um cabo compreendendo um único modo de 250-μηι de fibra óptica coma fibra óptica de deformação, a

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 28/68 / 54 faixa de deformação variou de -0,2 a 0,3%. A dita deformação do cabo pode variar ao longo do comprimento do cabo, por causa de condições de fabricação, embora um cabo com uma deformação residual, que é substancialmente longitudinalmente constante, seja preferido uma vez que pode simplificar o monitoramento do cabo de acordo com a invenção.

[00086] A condição substancialmente não deformada fornece um valor de referência com relação a qual deformação do cabo em uso é medida. Em métodos de Brillouin, em que deformação distribuída ao longo do comprimento do cabo é medida, a condição substancialmente não deformada pode referir-se a uma pluralidade de valores de referência medida em diferentes locais ao longo do comprimento do cabo.

[00087] Como condição deformada entende-se qualquer condição diferente da condição substancialmente não deformada, como aqui definido. Tensões de tração no cabo podem ser medidas como desvios de deformação, a saber, aumentam se o cabo for alongado ou diminuem se o cabo for comprimido, em relação ao valor de referência médio.

[00088] A carga de transferência de deformação 6 é feita de um material com propriedades elásticas tais a reagir à máxima deformação para a qual o cabo apresenta um comportamento elástico sem deformação permanente da carga (isto é, reversibilidade da deformação). O material da carga de transferência de deformação é selecionado para estirar adequadamente ao longo do cabo que sofre alongamento e recuperar substancialmente a deformação quando as cargas de tração externas forem removidas, pelo menos para cargas de tração correspondentes à máxima deformação permitida, além da qual ocorre uma deformação permanente e irreversível do cabo.

[00089] A carga de transferência de deformação 6 pode ser com base em um material polimérico, vantajosamente extrusado em torno do sensor de deformação 5. Elastômeros de termocura com um comportamento elástico

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 29/68 / 54 dentro de uma faixa de deformação relativamente grande, por exemplo, excedendo 1 %, foram considerados particularmente adequados para o cabo da invenção. Vantajosamente, observou-se que elastômeros de termocura aderem com alto atrito nas superfícies dos elementos estruturais longitudinais. Por exemplo, notou-se que elastômeros de termocura proporcionam uma forte adesão com os materiais semicondutores que tipicamente envolvem os núcleos de alguns cabos elétricos, apresentando ainda um atrito não detrimental para a superfície externa semicondutora dos núcleos. Observou-se que ocorre uma transferência de deformação confiável com um relacionamento previsível ou pelo menos derivável entre a deformação observada em um elemento estrutural longitudinal do cabo e a deformação medida no sensor.

[00090] Vantajosamente, o material da carga de transferência de deformação é resistente a tratamentos térmicos que podem ocorrer durante fabricação do cabo, tais como durante a cura do invólucro externo do cabo elétrico, tipicamente realizada a aproximadamente 200°C.

[00091] Preferivelmente, a carga de transferência de deformação compreende um elastômero de termocura reticulado por meio de pressão de vapor, irradiação com feixe de elétrons, imersão em banho de sal ou sistemas de reticulação de silano. Em geral, a carga de transferência de deformação é preferivelmente feita de elastômeros com um módulo elástico entre 0,01 e 0,7 GPa. Por exemplo, a carga de transferência de deformação é selecionada do grupo que consiste em borracha de etileno propileno dieno (EPDM), borracha de etileno propileno (EPR), borracha de nitrila-butadieno (NBR).

[00092] Embora elastômeros de termocura sejam preferidos em virtude de suas propriedades de adesão de resistência a temperatura e grande faixa de elasticidade, o uso de elastômeros termoplásticos não é excluído. Exemplos de elastômeros termoplásticos incluem copolímeros triblocos de estirenodieno-estireno; elastômeros de poliéster termoplásticos e elastômeros de

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 30/68 / 54 poliuretano termoplásticos; e borrachas de poliolefina termoplásticas (blendas de poliolefina).

[00093] Em algumas modalidades, a carga de transferência de deformação 6 pode ser eletricamente condutora.

[00094] Áreas intersticiais 11 são cheias com carga polimérica tais como um composto a base de EPR. Uma camisa externa 14 é provida, por exemplo, por extrusão. Para aumentar a resistência do cabo elétrico a tensões mecânicas, a camisa externa 14 é preferivelmente feita de um material polimérico curado preferivelmente a base de um elastômero de termocura de trabalho pesado reforçado, tais como polietileno de alta densidade (HDPE), policloroprene, poliuretano ou composto a base de NBR.

[00095] Opcionalmente, para aumentar a resistência a torção do cabo elétrico, é provida uma blindagem 15, por exemplo, na forma de entrelaçamentos ou espiral dupla de fios de reforço, tais como fios de metal ou poliéster, por exemplo, feitos de Kevlar® (poliamida aromática).

[00096] Percebeu-se que, a fim de garantir que a transferência de deformação ocorra entre a fibra óptica do sensor de deformação e os elementos estruturais longitudinais do cabo, em toda a faixa de valores mensuráveis de alongamentos, é vantajoso que adesão forte e substancialmente uniforme esteja presente entre as camadas envolvendo a fibra óptica e acoplando mecanicamente a fibra óptica com a carga de transferência de deformação. Isto permite congruência mecânica entre a fibra óptica do sensor de deformação e a carga de transferência de deformação.

[00097] As figuras 2a e 2b ilustram uma vista em perspectiva parcial e uma seção transversal, respectivamente, de um sensor de deformação 5 integrado no cabo elétrico das figuras 1a e 1b de acordo com uma modalidade preferida da presente invenção. O sensor de deformação 5 compreende uma fibra óptica 9 que é substancialmente arranjada ao longo do eixo longitudinal Z, quando o sensor de deformação é integrado no cabo. A fibra 9 do sensor de

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 31/68 / 54 deformação 5 é uma fibra óptica, a saber, uma fibra óptica a base de sílica, com diâmetro nominal típico de 125 μηι, revestida por um revestimento primário, que é envolto por um revestimento secundário, que tipicamente faz contato aderente com o revestimento primário, onde o revestimento primário e secundário formam um sistema de revestimento. O diâmetro externo da fibra óptica (revestida) pode ser 250 +/-10 μm ou 200 +/-10 μm. Sistemas de revestimento de camada simples podem ser igualmente usados. Preferivelmente, a fibra óptica 9 é uma fibra óptica de modo simples, tal como uma fibra de transmissão de conformidade com as recomendações de G.652, G.653 ou G.655 ITU-T (International Teleccommunications Union, JTU Teleccommunication Sector). Em uma modalidade, a fibra óptica de deformação é uma fibra de núcleo de sílica pura.

[00098] Preferivelmente, a fibra óptica do sensor de deformação tem melhor desempenho no dobramento, apresentando baixas perdas por dobramento. Em algumas modalidades, a fibra óptica é de conformidade com as recomendações G.657 ITU-T.

[00099] Com propósito de identificação, pode ser vantajoso ter uma fibra óptica colorida; neste caso é preferível usar uma fibra óptica com um revestimento secundário colorido. Vantajosamente, qualquer cor sem ser branca pode ser selecionada.

[000100] Observou-se que a fibra óptica do sensor de deformação é capaz de suportar repetidos alongamentos de até 1%, preferivelmente até 2%, por um número de vezes superior aos ciclos de movimento que se espera ocorrer no cabo durante sua vida útil. Nota-se que o valor de deformação de 1% é maior que os alongamentos máximos típicos que um cabo elétrico pode suportar antes da ruptura ou dano permanente, por exemplo, 0,5-0,7%. O sistema de revestimento pode ser feito de dois diferentes materiais de acrilato curados por UV até um diâmetro de 250 μm. Em uma modalidade, o sistema de revestimento da fibra de vidro é da maneira revelada em EP 1 497 686, que

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 32/68 / 54 foi observado prover fibra óptica sem ruptura quando submetida a repetidos alongamentos superiores a 2%.

[000101] Em modalidades preferidas, a fibra óptica 9 é isolada firmemente com uma camada de isolamento 10 envolvendo o sistema de revestimento para melhorar a proteção mecânica da fibra óptica, por exemplo, contra perdas por microdobramento. Foi entendido que aderência uniforme da camada de isolamento na fibra óptica, a saber, no sistema de revestimento da fibra, é particularmente importante para garantir congruência mecânica entre a fibra óptica e a carga de transferência de deformação.

[000102] Por exemplo, a camada de isolamento 10 é extrusada ou aplicada sobre a fibra revestida de 250 μιιι, aumentando o diâmetro externo até 6001.000 μm, com valores típicos de 800-900 μm. Preferivelmente, a camada de isolamento é feita de um material com propriedades elásticas que permitem a fibra óptica firmemente isolada suporte alongamentos de até 2%, inclusive.

[000103] Vantajosamente, a camada de isolamento é selecionada de maneira a aderir no sistema de revestimento da fibra óptica essencialmente sem fluência, deslizamento ou desunião. Preferivelmente, a camada de isolamento é à base de um material termicamente resistente capaz de apresentar resistência térmica suficiente para suportar os tratamentos térmicos que ocorrem durante fabricação do cabo.

[000104] Preferivelmente, a camada de isolamento é feita de um polímero de acrilato curável por radiação.

[000105] Por exemplo, o isolamento firme é feito de um polímero de acrilato curável por UV tal como descrito em WO 2005/035461, ou de uma matriz polimérica carregada com uma carga retardante de chama da maneira descrita em WO 2008/037291.

[000106] Uma camada promotora de adesão pode ser provida entre a sistema de revestimento de fibra óptica e a camada de isolamento firme.

[000107] Observou-se que seria vantajoso que a fibra óptica do sensor de

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 33/68 / 54 deformação fosse blindada contra cargas laterais, que podem dar origem a perdas por microdobramento e assim podem afetar a medida de deslocamento da frequência de Brillouin na fibra. Além disso, como anteriormente descrito, quando a fibra é influenciada pela compressão lateral, o sensor de deformação pode prover uma medição da deformação por tração que não está diretamente correlacionada com o alongamento efetivo do cabo elétrico. Com esta finalidade, um invólucro protetor 8, projetado para aumentar a resistência a compressões laterais, pode ser vantajosamente provido para envolver a fibra óptica opcionalmente firmemente isolada.

[000108] Em cabos redondos, tais como aqueles ilustrados nas figuras 1a e 1b, compressões laterais em direções transversais à direção do cabo longitudinal, tipicamente ocorrem em direções radialmente para dentro.

[000109] Observou-se que o sensor de deformação pode ser usado como elemento de resistência de puxada na etapa de extrusão da carga de transferência de deformação durante o processo de fabricação de cabo. Com esta finalidade, observou-se que é importante que o material do sensor de deformação não amoleça durante o processo de extrusão da carga de transferência de deformação, a fim de garantir uma força de puxada uniforme. A presença de um invólucro protetor 8 e uma seleção adequada do material que forma o dito invólucro podem vantajosamente prover sensor de deformação com uma resistência tensional suficiente tanto para aumentar a resistência a compressão lateral quanto permitir que o sensor de deformação funcione como elemento de resistência de puxada no processo de fabricação do cabo elétrico.

[000110] A fim de garantir congruência mecânica entre a fibra óptica e a carga de transferência de deformação, o material do invólucro protetor é selecionado de maneira a prover adesão forte e relativamente uniforme com a fibra óptica opcionalmente isolada.

[000111] Em modalidades preferidas, o invólucro protetor 8 é feito de um

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 34/68 / 54 compósito reforçado com fibra, em que as fibras podem ser fibras de carbono, grafite, boro, ou vidro (não óptica).

[000112] Em uma modalidade, o invólucro protetor 8 é um polímero reforçado com vidro (GRP), no qual o polímero é reforçado por fibras de vidro embutidas no polímero. Observou-se que vantajosamente rigidez tensional relativamente alta do sensor de deformação é conseguida pela presença de fibras de reforço desdobradas paralelas ao eixo longitudinal da fibra óptica, impedindo assim que compressão lateral seja lida erroneamente como deformação por tração. O invólucro protetor 8 pode ser formado por pultrusão na camada de isolamento 10 e ficar em contato direto com ela.

[000113] Opcionalmente, a superfície externa do invólucro protetor, que é envolta pela carga de transferência de deformação na qual o sensor de deformação é embutido, compreende uma pluralidade de entalhes ou recortes, ou é tratada para formar uma superfície áspera a fim de aumentar a aderência do invólucro protetor com a carga de transferência de deformação. Alternativamente, ou adicionalmente, uma camada promotora de adesão pode ser opcionalmente provida no invólucro protetor.

[000114] Como anteriormente descrito, o sensor de deformação deve ter uma resposta elástica para retornar para sua condição original depois que as cargas de tração, que são associadas com a máxima deformação esperado do cabo, forem removidas do cabo elétrico. A fim de prover o sensor de deformação com a flexibilidade exigida, é preferível que o invólucro protetor seja feito de um material de base polimérica com propriedades elásticas. Preferivelmente, o polímero que embute as fibras de reforço são resinas reticuladas, em particular resinas reticuladas curáveis por UV ou resinas reticuladas de termocura, que em geral proporcionam uma resistência a compressões. As resinas reticuladas podem ser poliéster insaturados, epóxis, ou ésteres vinílicos.

[000115] Observou-se que, a fim de aumentar a flexibilidade do sensor de

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 35/68 / 54 deformação, a espessura do invólucro protetor, quando feito de material de base polimérica, é preferivelmente compreendida entre 500 e 1.000 pm. Por exemplo, o invólucro protetor é uma camada GRP que aumenta o diâmetro externo da fibra óptica protegida até 1,8-2,5 mm.

[000116] É preferível que o invólucro protetor envolvendo a fibra óptica do sensor impeça contração da fibra a temperaturas usadas no processo de fabricação e, em particular, no processo de cura de alguns componentes do cabo, tais como os invólucros interno e externo.

[000117] Resinas reticuladas de alta temperatura que suportam a temperatura de cura são selecionadas, por exemplo, Polistal® GRP alta temperatura da Polystal Composites GmbH.

[000118] De acordo com um aspecto, a presente invenção diz respeito a um sensor de deformação compreendendo uma fibra óptica, uma camada de isolamento que encerra firmemente a fibra óptica e um invólucro protetor envolvendo a camada de isolamento, em que a camada de isolamento é feita de um material termicamente resistente, preferivelmente de um polímero de acrilato curável por radiação, e o invólucro protetor é feito de um compósito reforçado com fibra. Preferivelmente, o compósito reforçado com fibra é reforçado com fibras reforçadas embutidas em uma resina reticulada. Preferivelmente, a camada de isolamento é feita de um polímero de acrilato curável por UV.

[000119] Preferivelmente, a fim de permitir que o sensor de deformação detecte também pequenas compressões do cabo elétrico, a fibra óptica isolada é colocada no compósito reforçado com fibra em uma condição ligeiramente estirada correspondente a um pré-alongamento de 0,2%.

[000120] O sensor de deformação pode detectar uma faixa relativamente grande de alongamentos mensuráveis, em particular, de -0,2% a 1%. Uma vez que alongamentos altos de até 1% podem ser medidos e considerando que ruptura macroscópica de cabo ocorre para alongamentos de 0,5-0,7% e em

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 36/68 / 54 geral menores que 1%, o sensor de deformação de acordo com a invenção é capaz de detectar uma deformação permanente do cabo elétrico, uma vez que a máxima deformação permissível tenha sido medida em uma posição do cabo.

[000121] A deformação transfere pelo menos parcialmente de uma camada para a seguinte, garantindo assim uma medição confiável de alongamentos do cabo em uma faixa relativamente grande e, ao mesmo tempo, um retorno elástico para a condição substancialmente não deformada mediante remoção das cargas de tração, pelo menos na faixa de cargas de tração abaixo da deformação permanente do cabo. Por causa de uma seleção adequada dos materiais do sensor de deformação e a carga de transferência de deformação, que proporcionam congruência mecânica entre os diferentes elementos, uma transferência de deformação eficiente e uma relação reconhecível entre o alongamento da fibra e deformação do cabo são garantidos. Em alguns casos, espera-se que a transferência de deformação dos elementos estruturais longitudinais radialmente externos do cabo elétrico para a fibra óptica do sensor de deformação seja na faixa de 50% a 100%.

[000122] Nas modalidades preferidas supradescritas, o sensor de deformação compreende uma fibra óptica coberta por camadas (isto é, isolamento firme, invólucro protetor) que apresenta propriedades elásticas e embutida em uma carga de transferência de deformação com propriedades elásticas. Entretanto, desde que a estrutura composta pelo sensor de deformação e a carga de transferência de deformação seja capaz de recuperar o alongamento no regime elástico reversível do cabo, pelo menos uma das camadas selecionadas do grupo que consiste na camada de isolamento envolvendo a fibra revestida, no invólucro protetor e na carga de transferência de deformação pode apresentar um comportamento não elástico e em particular um comportamento plástico. Em particular, a pelo menos uma camada pode ser feita de um material plástico, a saber, um material com a

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 37/68 / 54 capacidade de deformar em resposta às forças mecânicas sem fratura, pelo menos até um certo valor de patamar das forças externas não ser excedido. Foi entendido que a resposta elástica exige que (1) uma camada feita de plástico substancialmente material seja congruente com pelo menos uma camada feita de material elástico, e (2) a rigidez axial da camada feito de material plástico seja menor que a rigidez axial da pelo menos uma camada feita de material elástico com a qual a camada de material plástico fica em contato. A rigidez axial, tipicamente medida em N, é o produto do módulo de Young e a área seccional transversal do elemento da camada. Desta maneira, a camada feita de material substancialmente plástico estira ao longo do material elástico no qual ela adere ou faz contato com atrito durante alongamento do cabo e é puxada de volta para sua posição original pelo material elástico, desde que exista força de pega suficiente entre as duas camadas.

[000123] Por exemplo, o invólucro protetor do sensor de deformação é um polímero termoplástico reforçado com fibra com módulo de Young de 72.400 MPa, enquanto a carga de transferência de deformação é um elastômero de termocura com módulo de Young de 671 MPa. A área seccional transversal do invólucro protetor é de 3,4 mm² e a área seccional transversal da carga de transferência de deformação é de 75 mm², dando uma rigidez axial de 250 kN para o invólucro protetor de 50 kN para a carga de transferência de deformação. Se um polímero termoplástico reforçado com fibra tiver uma boa adesão na carga de transferência de deformação e nas camadas subjacentes, tal como a camada de isolamento, o polímero termoplástico leva a carga de transferência de deformação, mesmo se a sua área seccional transversal for muito menor. Deve-se notar que isto seria verdadeiro também se a carga de transferência de deformação fosse feita de um polímero termoplástico, desde que as condições (1) e (2) referidas sejam satisfeitas, e onde a camada com propriedades elásticas é a camada de isolamento envolta pelo invólucro

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 38/68 / 54 protetor.

[000124] Em uma modalidade, considerando-se que as condições (1) e (2) são satisfeitas, a carga de transferência de deformação é selecionada do grupo que consiste em: poliéster com módulo de Young de 1 a 5 GPa, poliamida com módulo de Young de 2 a 4 GPa, poli(cloreto de vinila) (PVC) com módulo de Young de 0,003 a 0,01 GPa, polietileno de baixa densidade com módulo de Young de 0,1 ao 0,3 GPa, e polietileno de alta densidade com módulo de Young de 0,4 a 1,2 GPa. Preferivelmente, materiais poliméricos reticulado são empregados.

[000125] De acordo com uma outra modalidade, a fim de prover sensor de deformação com resistência a cargas laterais e resistência ao puxamento, o invólucro protetor do sensor de deformação pode ser um tubo metálico envolvendo a camada de isolamento da fibra óptica opcionalmente isolada (modalidade não mostrada nas figuras). Neste caso, o tubo metálico contém um gel ou material tipo gel, opcionalmente sob pressão, capaz de prover a congruência mecânica esperada entre o tubo metálico e a fibra óptica nele contida. Em uma modalidade preferida, o tubo metálico é feito de aço.

[000126] Preferivelmente, somente um no grupo que consiste na camada de isolamento envolvendo a fibra revestida, o invólucro protetor e a carga de transferência de deformação são feitos de um material com propriedades plásticas.

[000127] Embora em algumas modalidades preferidas o sensor de deformação compreenda uma camada de isolamento a fim de aumentar a resistência e elasticidade do sensor de deformação, como na construção mostrada nas figuras 2a e 2b, deve-se entender que o sensor de deformação pode compreender uma fibra óptica revestida com um sistema de revestimento diretamente envolto por um invólucro protetor.

[000128] O cabo elétrico 1 preferivelmente compreende um sensor de temperatura compreendendo uma fibra óptica 24 para medir a temperatura

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 39/68 / 54 interna do cabo 1. A fibra óptica 24 do sensor de temperatura é em uma construção de isolamento solta. Em particular, na modalidade ilustrada na figura, a fibra óptica 24 é colocada solta dentro de um módulo 19 encerrando longitudinalmente a fibra, o módulo 19 sendo compreendido no elemento fibra óptica 3. O módulo que se estende longitudinalmente 19 contém comprimento de fibra óptica em excesso por unidade de comprimento de fibra óptica do tubo 24. O comprimento de fibra em excesso (EFL) é definido pelo seguinte relacionamento:

L_f ~^Lt

EFL = —---- 100 (1)

L_t em que Lf é o comprimento da fibra óptica e Lt é o comprimento do alojamento do tubo da fibra. O comprimento em excesso é selecionado de forma que a fibra óptica permaneça folgada (isto é, não deformada) na máxima deformação conferida ao cabo elétrico, por exemplo, 1%.

[000129] A fibra óptica 24 do sensor de temperatura é preferivelmente uma fibra monomodal e a temperatura é medida usando técnicas de retrodispersão de Brillouin. Entretanto, o uso de uma fibra óptica multimodal pode ser concebido para detecção de temperatura. Neste caso, a medição de temperatura pode ser realizada usando técnicas conhecidas com base em dispersão de Raman. Preferivelmente, a fibra óptica 24 é helicoidalmente enrolada com relação a um eixo longitudinal central se estendendo ao longo do cabo. Por exemplo, a fibra óptica 24 é torcida em torno de um elemento longitudinal. No caso de um cabo elétrico compreendendo um elemento de fibra óptica compreendendo mais que uma fibra óptica, duas fibras podem ser helicoidalmente enroladas uma em torno da outra ao longo de uma direção longitudinal, uma das duas fibras sendo empregada com fibra óptica do sensor de temperatura. A fibra óptica 24, sendo livre de tensões mecânicas, é somente influenciada pela expansão térmica e pode ser usada para monitoramento de temperatura. Durante medição da deformação por meio de

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 40/68 / 54 técnicas de retrodispersão de Brillouin, a fibra óptica de deformação é afetada tanto pela deformação quanto pelas mudanças de temperatura. A contribuição da temperatura pode ser subtraída acoplando opticamente a fibra óptica 24 com a fibra óptica de deformação e medindo-se as mudanças de temperatura na fibra óptica 24.

[000130] Embora seja preferível que acoplamento mecânico entre o sensor de deformação e os elementos estruturais longitudinais ocorra também quando o cabo elétrico estiver em uma condição substancialmente não deformada, a fim de melhorar a sensibilidade de detecção e a resolução das medições de deformação, o acoplamento mecânico e, em particular, congruência mecânica, entre o sensor de deformação e os elementos estruturais longitudinais pode ocorrer somente quando pelo menos um dos elementos estruturais longitudinais for submetido a uma carga de tração e ficar em contato com a carga de transferência de deformação. Por exemplo, o acoplamento mecânico ocorre quando os elementos estruturais longitudinais são submetidos a cargas de tração correspondentes aos alongamentos de pelo menos 0,1%.

[000131] A figura 3 é uma vista seccional transversal de um cabo elétrico de acordo com uma modalidade adicional da presente invenção. Os mesmos números são usados para identificar componentes iguais com as funções iguais ou similares aos elementos da figura 1b. Embora a modalidade nas figuras 1a e 1b inclua uma carga de transferência de deformação em contato com os elementos estruturais longitudinais do cabo também na ausência de cargas de tração, na modalidade mostrada na figura 3, a carga de transferência de deformação não faz contato, pelo menos completamente, com a superfície dos elementos estruturais longitudinais quando o cabo estiver em uma condição substancialmente não deformada, por exemplo, a condição original do cabo, antes da instalação ou uso em um equipamento móvel. Em particular, o cabo elétrico 30 compreende um sensor de deformação 5 envolto

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 41/68 / 54 por uma carga de transferência de deformação 25, que é de preferência diretamente extrusada sobre o sensor de deformação, por exemplo, com referência às figuras 2a e 2b, na superfície externa do invólucro protetor 8. A carga de transferência de deformação 25 pode ter uma seção transversal circular. Por exemplo, o invólucro protetor 25 tem uma espessura de 2 a 7 mm. O espaço intersticial 26 entre a carga de transferência de deformação 25 e os elementos estruturais longitudinais radialmente externos, a saber, núcleos 2 e, se presentes, condutores terra 7 e elemento de fibra óptica 3, pode ser cheio pelo mesmo material da carga polimérica 27 envolvendo os elementos estruturais longitudinais, por exemplo, um composto a base de EPR.

[000132] Em virtude do seu tamanho, o sensor de deformação 5 isolado com a carga de transferência de deformação 25 é relativamente livre para mover-se no espaço intersticial 26 entre a carga de transferência de deformação 26 e os elementos do cabo estruturais longitudinais, a mobilidade do sensor de deformação dependendo também da viscosidade do material que enche o espaço intersticial. Mediante a aplicação de uma força de tração, os elementos estruturais longitudinais tendem comprimir radialmente para dentro, reduzindo assim a distância radial até o eixo longitudinal ao longo do qual o sensor de deformação é arranjado. Quando o valor da força de tração observada pelo cabo fica acima de um certo patamar, os elementos estruturais longitudinais são pressionados radialmente para dentro e estabelecem contato com a carga de transferência de deformação 25. Ao contrário, quando o cabo alonga em qualquer posição longitudinal do comprimento do cabo abaixo desse patamar, a fibra óptica do sensor de deformação 5 segue o movimento do cabo com um atraso por causa da pega relativamente fraca com os elementos estruturais longitudinais do cabo. Preferivelmente, o patamar na força de tração é de 0,1%.

[000133] As propriedades de material da carga de transferência de deformação 25 são aquelas anteriormente descritas com referência às figuras

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 42/68 / 54 e 1b.

[000134] A figura 4 é uma vista seccional transversal de um cabo elétrico de acordo com uma modalidade adicional da presente invenção. Os mesmos números são usados para identificar componentes iguais com as funções iguais ou similares aos elementos das figuras 1a e 1b. O cabo elétrico 40 compreende quatro elementos estruturais longitudinais, a saber três núcleos de força 43 e um condutor terra 44, que é arranjados radialmente externo com relação ao sensor de deformação 5, que podem ter a construção descrita com referência às figuras 2a e 2b. Os núcleos de força 43 e o condutor terra 44 compreendem cada qual um condutor 45, por exemplo, na forma de um feixe de fios elétricos de cobre estanhados ou nus trançados, envoltos por uma camada polimérica isolante 46. A carga de transferência de deformação 47 embute o sensor de deformação 5 e preenche os interstícios entre o sensor de deformação e os elementos estruturais longitudinais. As propriedades e forma geométrica da carga de transferência de deformação 47 são de maneira tal que o acoplamento mecânico e, em particular, congruência mecânica, exista entre os elementos estruturais longitudinais 43 e 44 e o sensor de deformação 5, também em uma condição não deformada do cabo.

[000135] O cabo 40 pode ser um cabo de força de 1 kV, tal como para aplicações de bobinamento vertical. Na modalidade mostrada na figura 4, um sensor de temperatura 48 é integrado em uma região radialmente interna dos elementos estruturais longitudinais e, em particular, na carga de transferência de deformação 47. O sensor de temperatura 48 compreende uma fibra óptica 49, que é preferivelmente uma fibra óptica monomodal, disposta solta em um módulo que se estende longitudinalmente 41, que é preferivelmente feito de ETFE ou PBT. O diâmetro externo do módulo 41 é, por exemplo, de 2 mm.

[000136] Alternativamente, o sensor de temperatura pode ser integrado em uma área periférica da seção transversal do cabo elétrico, radialmente externo aos elementos estruturais longitudinais.

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 43/68 / 54 [000137] A figura 5 é uma vista seccional transversal de um cabo elétrico de acordo com uma modalidade adicional da presente invenção. O cabo ilustrado pode ser, por exemplo, um cabo de controle de baixa tensão para aplicações de bobinamento. O cabo elétrico 50 compreende uma pluralidade de elementos estruturais longitudinais arranjada em uma pluralidade de camadas concêntricas trançadas em torno de um elemento central 51 que age como carga de transferência de deformação para o sensor de deformação 5. Os elementos estruturais longitudinais de cada camada concêntrica são torcidos em torno do elemento central 51 e compreendem núcleos de controle 53 e um par de elementos de fibra óptica 54 disposto na camada concêntrica mais externa. Cada núcleo de controle 53 compreende um condutor de cobre de fio fino 59 envolto por uma camada polimérica isolante 58. Os dois elementos de fibra óptica 54 são na forma de um módulo que se estende longitudinalmente 52 contendo pelo menos uma fibra óptica 57 (três fibras ópticas na figura) dispostas soltas dentro do módulo. Uma fibra óptica de qualquer dos elementos de fibra ópticas 54 pode ser usada como o sensor de temperatura. Um invólucro interno polimérico 55 envolve as camadas concêntricas dos elementos estruturais longitudinais. Uma camisa externa 36 com um reforço embutido, tal como um fio de poliéster trançado 35, envolve o invólucro interno 55 e encerra o cabo.

[000138] O sensor de deformação 5 é arranjado na região neutra do cabo envolvendo o eixo longitudinal central. Por exemplo, a região neutra é uma região radial, que se estende ao longo do eixo longitudinal central, com raio de 3 mm para um cabo com Pmin de 120 mm.

[000139] Nas modalidades mostradas com referência às figuras 1, 3, 4 e 5, os elementos estruturais longitudinais do cabo elétrico estão em acoplamento mecânico direto com a carga de transferência de deformação, isto é, existe congruência mecânica entre os elementos estruturais longitudinais e a carga de transferência de deformação, em uma condição deformada. A construção

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 44/68 / 54 resultante do cabo permite uma transferência efetiva e rápida da deformação observada pelos elementos estruturais longitudinais, tais como os núcleos ou os condutores terra, para o sensor de deformação. A rápida reação às variações de deformação permite a detecção de forças de tração dinâmicas, que ocorrem, por exemplo, em mudanças abruptas nas direções de enrolamento ou movimentos de carga/descarga dos equipamentos móveis.

[000140] Deve-se entender que o cabo elétrico de acordo com o preceito da presente invenção permite a detecção de deformação, também quando originada de porções do cabo que não estão em contato direto com a carga de transferência de deformação, tal como o invólucro interno ou invólucro externo do cabo.

[000141] Além disso, a presente invenção engloba um cabo elétrico compreendendo uma pluralidade de elementos estruturais longitudinais e um sensor de deformação embutido na carga de transferência de deformação, em que pelo menos um dos elementos estruturais longitudinais está em acoplamento mecânico direto com a carga de transferência de deformação.

[000142] Se uma força de tração substancialmente constante for aplicada em um elemento estrutural longitudinal do cabo durante um dado intervalo de tempo, a dita força determina uma deformação em todos elementos estruturais longitudinais integrados no cabo, dependendo do atrito e elasticidade do elementos/camadas entre os mesmos, que estão em acoplamento mecânico com o elemento estrutural longitudinal deformado, por exemplo, com os elementos que estão em contato direto com o elemento estrutural longitudinal deformado, ou ocorre um acoplamento mecânico através de um material, tal como um invólucro polimérico, separado dos outros elementos do elemento deformado. Quanto maior for a área de contato e quanto maior o atrito entre elementos (dependendo também do valor da força de tração), tanto menor é a porção do comprimento longitudinal do cabo necessária para ter uma deformação uniforme entre os elementos estruturais longitudinais. A porção

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 45/68 / 54 do comprimento longitudinal necessária para ter deformação distribuída por toda a seção transversal do cabo é da ordem de cinco diâmetros do cabo, assim tipicamente não mais que 20-40 cm, para cabos de trabalho pesado para equipamentos móveis. O valor da deformação que age em diferentes porções da seção transversal depende das propriedades elásticas dos materiais constituintes.

[000143] No caso da aplicação de uma força de tração variável com o tempo, tal como em medições de deformação dinâmica, em um elemento estrutural longitudinal do cabo elétrico, forte aderência da estrutura de cabo, levando-se em conta o atrito entre elementos, entre as camadas, e assim uma seleção adequada dos materiais compondo as camadas, torna-se importante.

[000144] A figura 6 mostra uma vista seccional transversal esquemática de um cabo elétrico chato trifásico 60, tal como para aplicações em sistemas de bomba de poço, incluindo dois núcleos externos 61 e 63 e um núcleo central 62. Os núcleos são posicionados substancialmente paralelos e adjacentes um ao um outro, centralizados ao longo de um eixo comum 69a paralelo à direção X, transversal ao eixo do cabo longitudinal. O eixo 69a é a linha média da seção transversal do cabo no plano (X, Y). Um sensor de deformação de fibra óptica 5 é arranjado entre o núcleo central 62 e um dos núcleos externos, neste caso, núcleo externo 61. O sensor de deformação 5 pode ter a estrutura descrita com referência às figuras 2a e 2b. O sensor de deformação 5 é envolto por uma carga de transferência de deformação 66, que pode ter uma forma circular e que é aderida na superfície externa do sensor de deformação. A espessura radial da carga de transferência de deformação 66 é selecionada dependendo do espaço intersticial lateral entre o núcleo lateral 61 e o núcleo central 62 e de uma maneira tal a prover a resistência mecânica necessária. Preferivelmente, a carga de transferência de deformação é mecanicamente acoplada e, em particular, congruente com a superfície externa dos núcleos adjacentes 61 e 62, quando o cabo estiver em uma condição substancialmente

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 46/68 / 54 não deformada.

[000145] O eixo neutro para dobramento do cabo 60 é o eixo médio 69a, que é o eixo de simetria da seção transversal do cabo ao longo do eixo Y. O sensor de deformação 5 é arranjado na região neutra para o dobramento da espessura d, definido entre dois planos 69b paralelos à linha média 69a e distante d/2 no eixo Y de 69a. Para cabos chatos com valores típicos de pmin de 500 mm, a espessura d pode variar de 5 a 10 mm.

[000146] O cabo chato 60 compreende adicionalmente blindagem externa 68 arranjada em uma posição externa com relação aos núcleos e encerrandoos longitudinalmente. A blindagem externa 68 tem dois lados substancialmente chatos 68a paralelos ao eixo X e dois lados laterais opostos 68b envolvendo uma porção de dois núcleos externos 61 e 63. A blindagem externa 68 é preferivelmente uma blindagem de fita de aço ou de aço inoxidável, ou de uma liga de cobre e níquel.

[000147] O cabo elétrico 60 tem uma pluralidade de espaços intersticiais 65, que são definidos pelos espaços entre os núcleos e a blindagem externa 68. Elementos de resistência 67 são arranjados nos espaços intersticiais 65 em dois planos comuns paralelos ao eixo X. Os elementos de resistência 67 têm seção transversal circular e podem ser feitos de aço, vidro ou polímeros reforçados.

[000148] O espaço livre entre os núcleos e os elementos de resistências é cheio com um invólucro interno 64, feito, por exemplo, de composto polimérico carregado com carga mineral, preferivelmente extrusado diretamente nos elementos estruturais longitudinais do cabo chato.

[000149] Cabos elétricos de acordo com a invenção podem ser monitorados para determinar a deformação distribuída ao longo do cabo usando técnicas de retrodispersão de Brillouin, tais como reflectômetro óptico de domínio de tempo de Brillouin (BOTDR), análise óptica de domínio de tempo de Brillouin (BOTDA) e reflectômetro óptico de domínio de

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 47/68 / 54 frequência de Brillouin (BOFDR). De acordo com o que é em geral conhecido por medição técnicas, um primeiro sinal óptico (sonda) gerado por um primeiro laser é lançado em uma primeira extremidade da fibra óptica do sensor de deformação integrado no cabo elétrico e, simultaneamente, um segundo sinal óptico (bomba) gerado por um segundo laser ou pelo mesmo primeiro laser é lançado em uma segunda extremidade da fibra óptica do sensor de deformação, oposta à primeira extremidade. O primeiro sinal óptico opera continuamente, a saber, é um sinal de onda contínua (CW), ao passo que o segundo sinal óptico é pulsado. O sinal óptico de retorno retrodisperso na primeira extremidade da fibra óptica é medido por um circuito de detecção. Quando a diferença entre a frequência óptica do sinal óptico CW for maior que a do sinal óptico pulsado em uma quantidade igual ao deslocamento de frequência de Brillouin em algum ponto na fibra, o sinal pulsado é amplificado através da interação de Brillouin e o sinal CW sofre perda. O deslocamento de frequência de Brillouin é tanto sensível a deformação quanto temperatura. Técnicas de retrodispersão de Brillouin têm a vantagem de serem técnicas de sensoreamento distribuídas, que assim permitem o monitoramento em tempo real do verdadeiro perfil de deformação ao longo do comprimento do cabo.

[000150] Dispersão de Brillouin pode ser usada para medir simultaneamente mudanças tanto na temperatura quanto na deformação ao longo do comprimento da fibra óptica do sensor de deformação, com um aparelho de amostragem que mapeia o espectro de Brillouin varrendo o deslocamento de frequência das duas fontes laser e ajustando o pico de Brillouin para obter a informação de temperatura e deformação. Tal análise pode ser realizada com um aparelho BOTDR tipo comercial, tal como sensor Foresigh™ comercializado pela OZ Optics Ltd. Nesta aplicação, um sensor de temperatura arranjado em um local separado no cabo do sensor de deformação não é necessário para sensoreamento de temperatura.

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 48/68 / 54 [000151] Em algumas modalidades preferidas, o monitoramento de deformação e temperatura é realizado separando a contribuição da temperatura da contribuição da deformação no sinal óptico medido e usando uma segunda fibra óptica em construção de isolamento solta para medição de temperatura, como descrito em algumas das modalidades apresentadas de cabo elétrico.

[000152] A figura 7 é um diagrama de blocos esquemático ilustrando os princípios operacionais de um sistema de monitoramento usando as técnicas de retrodispersão com base em Brillouin, tal como BOTDR, para medir as mudanças de deformação e temperatura no comprimento do cabo elétrico. Um aparelho de amostragem 70 é usado para injetar sinais ópticos em um cabo elétrico 73 e analisar o sinal óptico retrodisperso recebido do cabo. Por exemplo, o aparelho de amostragem pode ser um sistema DITEST-DSM comercializado pela Omnisens SA. O cabo elétrico compreende um sensor de deformação compreendendo uma fibra óptica 71 se estendendo ao longo da direção longitudinal Z do cabo e uma fibra óptica (sensor) de temperatura 72 (somente as fibras de deformação e temperatura estão representadas esquematicamente na figura). O sensor de deformação compreendendo uma fibra óptica de deformação 71 é mecanicamente acoplado em pelo menos um elemento estrutural longitudinal do cabo 73 de uma maneira tal a permitir transferência de deformação for pelo menos um elemento estrutural longitudinal para o sensor de deformação, ao passo que a fibra óptica 72 para sensoreamento de temperatura é integrado no cabo em uma configuração solta. O cabo elétrico 73 e, em particular, o arranjo de fibras ópticas 71 e 72 dentro do cabo podem ter uma estrutura como qualquer das descritas nas modalidades apresentadas. A fibra óptica de deformação 71 é localizada em uma região de dobramento longitudinal neutro do cabo e tem congruência mecânica com pelo menos um dos elementos estruturais longitudinais do cabo, ao passo que a fibra óptica de temperatura 72 é arranjada em uma

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 49/68 / 54 construção de isolamento solta a fim de não ser afetada pela deformação aplicada no cabo. O aparelho de amostragem 70 lança um sinal óptico da bomba de uma primeira saída 78 para uma seção do cabo óptico 74 conectada a uma extremidade proximal da fibra óptica de deformação 71. Simultaneamente, um sinal óptico de sonda é lançado de uma segunda saída óptica 79 em uma seção do cabo óptico 75 conectada em uma extremidade proximal da fibra óptica de temperatura 72. Os termos proximal e distal para as extremidades da fibra são referidos com relação ao aparelho de amostragem, ou pelo menos à conexão óptica com o aparelho de amostragem. Entretanto, tais termos são para indicar somente uma posição relativa e/ou são usados para facilitar a descrição dos desenhos, mas eles não devem ser interpretados com um significado absoluto. Conexão não permanente entre as seções do cabo 74 e 75 do aparelho de medição 70 nas respectivas fibras ópticas 71 e 72 pode ser feita por meios convencionais, por exemplo, através de um conector óptico 77. Pelo menos uma das fibras ópticas de deformação e temperatura 71 e 72, e preferivelmente ambas as fibras, tem um comprimento se estendendo além das extremidades proximal e distal do cabo 73. Nas extremidades das fibras ópticas proximais do aparelho de amostragem 70, isto simplifica a conexão no aparelho. As extremidades distais, opostas às extremidades proximais, das fibras ópticas projetando-se do cabo são conectadas uma na outra de maneira a produzir um laço de fibra com duas extremidades de entrada/saída somente em uma extremidade (isto é, a extremidade proximal) do cabo. Nas extremidades distais, as duas fibras podem ser unidas entre si por emenda por fusão em um dispositivo de emenda 76 de acordo com métodos convencionais.

[000153] O sinal óptico retrodisperso de Brillouin sai da fibra do sensor de temperatura 72, entra no aparelho de amostragem 70 e pode ser processado a fim de determinar as variações de deformação e temperatura ao longo do cabo. Considerando-se o laço de fibra compreendendo a fibra óptica de

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 50/68 / 54 deformação 71 e a fibra de temperatura 72, a posição na qual a deformação e temperatura medida são localizadas ao longo do laço de fibra e assim em cada qual das duas fibras de sensoreamento pode ser determinado pelo tempo de voo de um pulso para propagar abaixo e de volta através do laço de fibra.

[000154] O laço de fibra óptica pode ser calibrado usando técnicas conhecidas, tal como usando técnicas OTDR, a fim de conhecer a posição dos conectores e/ou as juntas ópticas no laço de fibra e assim determinar a posição e comprimento das fibras ópticas de deformação e temperatura e no laço de fibra.

[000155] A fibra óptica de deformação 71 é afetada tanto pelas mudanças de deformação quanto de temperatura, ao passo que a fibra óptica de temperatura 72, sendo em uma configuração solta na estrutura do cabo, é afetada somente pela temperatura. Subtraindo-se a contribuição da temperatura ao longo da seção do laço de fibra correspondente à fibra óptica 72 integrada no cabo, é possível determinar a contribuição para o deslocamento de frequência de Brillouin causado somente pela deformação.

[000156] Em uma modalidade, um espelho pode ser posicionado na extremidade distal da fibra óptica de temperatura com relação ao aparelho de amostragem, e tanto sinais ópticos de bomba quanto de sonda são lançados na extremidade proximal da fibra óptica de temperatura. Esta solução (não mostrada nas figuras) não exige um laço de fibra entre as fibras ópticas de deformação e de temperatura para a medição.

[000157] A correlação entre a deformação na fibra óptica de deformação e a deformação no cabo elétrico incluindo a fibra óptica de deformação pode ser determinada pelo fabricante usando uma plataforma de calibração de deformação, que é capaz de impor uma quantidade conhecida de alongamento longitudinal no cabo. Por meio de uma técnica de dispersão de Brillouin, a fibra óptica é analisada a fim de determinar o alongamento na fibra em relação ao cabo na posição de descanso e sujeita a uma quantidade conhecida

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 51/68 / 54 de alongamento. Por exemplo, a um (AL/L)cabo de 1% corresponde um (AL/L)fibra de 0,75%, indicando uma transferência de deformação de 75% do cabo para a fibra, quando o cabo é sujeito a um alongamento uniforme e estático.

[000158] Observou-se que os custos de um aparelho de amostragem de Brillouin, especialmente se forem exigidas medições de ampla faixa e alta sensibilidade, é relativamente alto e, portanto, seria vantajoso prover um sistema de monitoramento de uma pluralidade de cabos elétricos a fim de reduzir o custo geral.

[000159] Notou-se adicionalmente que monitoramento em tempo real de cabos de trabalho pesado permitiria registrar eventos dinâmicos que induzem picos de deformação elástica, que podem danificar o cabo por fadiga.

[000160] A figura 8 é uma ilustração esquemática de um sistema de monitoramento de uma pluralidade de cabos de trabalho pesado em uma área para os movimentos de mercadorias, tal como um terminal de contêineres em um porto. O terminal de contêineres é uma instalação do porto em geral cobrindo uma vasta área através da qual contêineres (não mostrados na figura) são armazenados para ser carregados nos navios ou ser coletados de um porto. Uma pluralidade de guindastes de trabalho pesado 82 move-se através de uma área selecionada do terminal para levantar e transferir contêineres enquanto são acionados e controlados a partir de uma estação de entrega de energia 81. Guindastes de trabalho pesado 82 podem ser guindastes de pórtico fixos em um par de trilhos 90a e 90b instalado em áreas portuárias detrás do cais, que está indicado na figura com área tracejada 91, onde guindastes de cais para carregamento e descarregamento de navios operam. Contêineres (não mostrados) são empilhados em diversas fileiras no espaço entre os trilhos onde podem ser içados e movimentados pelos guindastes de pórtico que correm para frente e para trás horizontalmente ao longo da direção indicada pela seta dupla 92. A figura 9 é uma vista lateral de um guindaste de pórtico

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 52/68 / 54 da pluralidade considerada, por exemplo, ao longo da linha C-C da figura 8. A estrutura de suporte do guindaste de pórtico 82 compreende uma ponte com dois trilhos suspensos 93a e 93b (não visíveis na figura 9) nos quais um carro de içamento 83 move-se perpendicular ao movimento do guindaste. De acordo com desenhos convencionais, o carro de içamento 83 tem um sistema de içamento (não mostrado) para içar os contêineres.

[000161] Batentes de extremidade 88 podem ser providos em ambas extremidades dos trilhos de maneira a impedir que o guindaste mova-se além das extremidades do trilho.

[000162] Cada guindaste de pórtico 82 é acionado por um respectivo cabo elétrico 86, que pode ser um cabo de força convencional, conectando a estação de distribuição de energia 81 em uma unidade de suprimento do guindaste 89. Um cabo de trabalho pesado 85 é conectado em uma unidade de suprimento do guindaste 89 de maneira a extrair a potência carregada pelo respectivo cabo elétrico 86 e prover potência para uma variedade de funções (seu movimento, posicionamento, monitoramento, etc.) do guindaste 82. Além do mais, cabos de trabalho pesado recebem os sinais elétricos e/ou ópticos de controle/dados. Embora as unidades de suprimento do guindaste estejam mostradas para ser colocadas em proximidade com a extremidade proximal do trilho para a estação de distribuição de energia, outras posições da unidade de suprimento do guindaste são possíveis, tais como em uma posição intermediária ao longo dos trilhos com relação ao comprimento dos mesmos.

[000163] O cabo de trabalho pesado 85 é enrolado em um carretel 84 fixo em uma lateral da estrutura do guindaste. O carretel do cabo 84 pode ser motorizado de maneira a permitir rotação do carretel em ambas as direções. Guia do cabo para a unidade de suprimento do guindaste pode ser provida por um dispositivo de guia 96 (visível na figura 9), na modalidade da figura compreendendo dois rolos guias de deflexão arranjados lateralmente opostos.

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 53/68 / 54

Cada um dos cabos 85 tem uma extremidade fixa na respectiva unidade de suprimento do guindaste 89 e a extremidade oposta fixa no carretel do cabo 84, tipicamente no seu centro, referido como o centro de alimentação. Os cabos de trabalho pesado 85 são então limitados em ambas extremidades quando fases de enrolamento e desenrolamento descontínuas e frequentemente abruptas do cabo em torno do carretel ocorrem durante movimentos horizontais rápidos do guindaste. Frequentemente, aceleração e desaceleração do guindaste não ocorrem sincronizadamente com o enrolamento e desenrolamento do cabo, impondo assim repetitivos picos no alongamento do cabo.

[000164] Em uma modalidade, os cabos de trabalho pesado têm uma estrutura do tipo descrito com referência às figuras 1a e 1b. Em uma outra modalidade, os cabos de trabalho pesado têm qualquer uma das estruturas descritas com referência às figuras 1a-1b, 3, 4 e 5.

[000165] Referindo-se novamente às figuras 8 e 9, cada cabo de trabalho pesado 85 compreende um sensor de deformação e um sensor de temperatura. O sensor de deformação compreende uma fibra óptica mecanicamente acoplada e em particular mecanicamente congruente com pelo menos um elemento estrutural longitudinal do cabo, ao passo que o sensor de temperatura compreende uma fibra óptica integrada no cabo em uma configuração solta. Pelo menos a fibra óptica do sensor de deformação e, preferivelmente, também a fibra óptica do sensor de temperatura são uma fibra óptica monomodal. Preferivelmente, fibras ópticas de deformação e de temperatura são fibras ópticas grau telecomunicações.

[000166] Cada qual dos cabos de alimentação elétrica 86 que leva energia para os cabos de trabalho pesado 85 compreende um elemento fibra óptica integrado incluindo pelo menos duas fibras ópticas, preferivelmente sendo arranjadas em uma construção de isolamento solta ao longo do cabo de alimentação. Uma extremidade de cada fibra óptica do cabo de alimentação

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 54/68 / 54 é opticamente conectada em um aparelho de amostragem de Brillouin (não mostrado nas figuras 8 e 9), ao passo que a extremidade oposta é opticamente conectada em uma respectiva extremidade da fibra óptica de deformação e temperatura compreendida no cabo de trabalho pesado 84. Conexão óptica pode ocorrer na unidade de suprimento de energia por meios convencionais. Portanto, cabos de trabalho pesado 85 são habilitados a receber sinais de potência e ópticos para a análise de Brillouin dos respectivos cabos de alimentação 86. O aparelho de amostragem de Brillouin pode ser alojado na estação de distribuição de energia 81. Somente por clareza na figura 8 e 9, os cabos de alimentação 86 estão ilustrados dispostos acima do terreno. Deve-se entender que cabos de alimentação podem chegar na unidade de suprimento do guindaste ainda sendo passados por baixo da terra (representado por linhas tracejadas na figura 9).

[000167] A figura 10 é um diagrama esquemático ilustrando os princípios de operação de um sistema de monitoramento para controlar a deformação e preferivelmente a temperatura de uma pluralidade de cabos de trabalho pesado montada em equipamentos móveis de acordo com uma modalidade. Uma pluralidade de cabos de alimentação 103, 105, 107 e 109 compreende cada qual primeira e segunda fibras ópticas de alimentação 118a e 118b, 119a e 119b, 120a e 120b, e 121a e 121b, respectivamente. Cabos de alimentação

103, 105, 107 e 109 suprem sinais de energia e, preferivelmente, de controle aos respectivos cabos de trabalho pesado 104, 106, 108 e 110, cada cabo de trabalho pesado compreendendo uma fibra óptica do sensor de deformação 112a e uma fibra óptica do sensor de temperatura 112b. As primeiras fibras ópticas de alimentação 118a, 119a, 120a e 121a são opticamente conectadas na fibra óptica de deformação 112a do respectivo cabo de trabalho pesado

104, 106, 108 e 110. As segundas fibras ópticas de alimentação 118b, 119b, 120b e 121b são opticamente conectadas na fibra óptica de temperatura 112b do respectivo cabo de trabalho pesado 104, 106, 108 e 110. A conexão óptica

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 55/68 / 54 das fibras ópticas de alimentação dos cabos de alimentação com as fibras ópticas de deformação e temperatura dos cabos de trabalho pesado pode ser conseguida por emenda por fusão. As extremidades da fibra ópticas de deformação e temperatura 112a e 112b de cada cabo de trabalho pesado distal com relação ao respectivo cabo de alimentação são conectadas uma na outra (indicado com o ponto de conexão do dispositivo, por exemplo, um dispositivo de emenda 113) de maneira a formar um laço de fibra através do cabo de trabalho pesado e do cabo de alimentação. Na modalidade mostrada nas figuras 8 e 9, as extremidades distais da fibra óptica de deformação e temperatura estão na extremidade do cabo de trabalho pesado encaixada no carretel do guindaste, por exemplo, no centro de alimentação do carretel.

[000168] Um aparelho de amostragem de Brillouin 100 emite um primeiro sinal óptico (bomba) pela porta óptica de entrada/saída 101 e um segundo sinal óptico (sonda) pela porta óptica de entrada/saída 102. Das portas ópticas de entrada/saída 101 e 102, sinais são lançados em uma respectiva primeira e segunda seção de fibra óptica 111 e 114. A primeira seção óptica 111 é opticamente conectada na primeira fibra óptica de alimentação 118a do cabo de alimentação 103, que recebe o sinal da bomba, enquanto a segunda seção de fibra 114 é opticamente conectada na segunda fibra óptica de alimentação 121b do último cabo de alimentação 109, que recebe o sinal de sonda. A segunda fibra de alimentação 118b do primeiro cabo de alimentação 103 é opticamente conectada na primeira fibra de alimentação 119a do segundo cabo de alimentação 104; a segunda fibra de alimentação 119b do segundo cabo de alimentação 104 é opticamente conectada na primeira fibra de alimentação 120a do terceiro cabo de alimentação 105, e a segunda fibra de alimentação 120b do terceiro cabo de alimentação 105 é opticamente conectada na primeira fibra de alimentação 121a do segundo cabo de alimentação 107. Isto produz um laço de fibra que tem como entrada/saída óptica aberta uma extremidade proximal da primeira fibra de alimentação

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 56/68 / 54

118a do primeiro cabo de alimentação 103 e uma extremidade (a extremidade proximal) da segunda fibra de alimentação 121b do quarto cabo de alimentação 109. Referindo-se aos desenhos, os termos proximal e distal podem ser considerados com referência ao aparelho de amostragem, ou pelo menos à conexão óptica com o aparelho de amostragem. Entretanto, tais termos são para indicar somente uma posição relativa e/ou são usados para facilitar a descrição, mas eles não devem ser interpretados com um significado absoluto. Acoplamento óptico das extremidades das fibras ópticas de dois diferentes cabos de alimentação ou uma extremidade de uma fibra óptica de um cabo de alimentação com uma seção da fibra opticamente conectada no aparelho de amostragem pode ser realizado por dispositivos de acoplamento convencionais, que não estão indicados na figura.

[000169] O número de cabos de trabalho pesado conectados no aparelho de amostragem de Brillouin mostrado na figura 10 é quatro. Entretanto, devese entender que o número pode ser diferente, dependendo da perda óptica induzida pela atenuação da fibra e comprimento da fibra, perda pela emenda por fusão, a perda mela emenda mecânica, comparada com a dinâmica do instrumento de Brillouin. Por exemplo, até 10 cabos de trabalho pesado instalados nos respectivos guindastes poderiam ser medidos em um único laço de fibra.

[000170] Fibras ópticas de alimentação são preferivelmente fibras ópticas unimodais grau telecomunicação.

[000171] Primeiro e segundo sinais ópticos são sinais ópticos de contrapropagação a uma amplitude e frequência adequadas para gerar um sinal de retrodispersão de Brillouin, que é analisado pelo aparelho de amostragem 100. Conhecendo-se os comprimentos de fibra das fibras nos cabos de alimentação e nos cabos de trabalho pesado que formam o laço de fibra, por exemplo, após calibração da configuração do cabeamento no laço, é possível associar a variação de deformação com um local ao longo do laço de

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 57/68 / 54 fibra, e assim monitorar a deformação aplicada em cada cabo de trabalho pesado opticamente conectado no aparelho de amostragem.

[000172] De acordo com um aspecto da presente invenção, o sistema de monitoramento para monitorar uma pluralidade de cabos elétricos e, em particular, uma pluralidade de cabos de trabalho pesado, compreendendo: um aparelho de amostragem para medir mudanças espectrais de luz dispersa de Brillouin compreendendo uma primeira e uma segunda porta de entrada/saída óptica, a primeira porta de entrada/saída sendo apta a emitir um primeiro sinal óptico e a segunda porta de entrada/saída sendo apta a emitir um segundo sinal óptico, e uma pluralidade de cabos de trabalho pesado incluindo um primeiro e um último cabo de trabalho pesado, cada cabo da pluralidade compreendendo um sensor de deformação incluindo uma fibra óptica de deformação e um sensor de temperatura incluindo uma fibra óptica de temperatura, os sensores de deformação e temperatura se estendendo longitudinalmente ao longo do respectivo cabo, a fibra óptica de deformação e fibras ópticas de temperatura com extremidades proximais e extremidades distais, as extremidades proximais sendo posicionadas em uma extremidade proximal do respectivo cabo elétrico, em que: as extremidades distais da fibra óptica de deformação e da fibra óptica de temperatura de cada cabo de trabalho pesado são opticamente conectadas uma na outra, a extremidade proximal da fibra óptica de deformação do primeiro cabo de trabalho pesado ficam em comunicação óptica com a primeira entrada/saída do aparelho de amostragem e a fibra óptica de temperatura do último cabo elétrico fica em comunicação óptica com a segunda porta de entrada/saída do aparelho de amostragem, e a extremidade proximal da fibra óptica de temperatura do primeiro cabo de trabalho pesado é opticamente conectada com a extremidade proximal da fibra óptica de deformação do último cabo de trabalho pesado, de maneira a formar um laço de fibra óptica no qual a fibra óptica de deformação e a fibra óptica de temperatura de cada cabo de trabalho pesado da pluralidade

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 58/68 / 54 estão em comunicação óptica tanto com a primeira quanto a segunda porta de entrada/saída do aparelho de amostragem e o primeiro e segundo sinais ópticos entram no laço de fibra óptica em direções opostas.

[000173] Observou-se que um aparelho de amostragem de Brillouin comercialmente disponível pode ser capaz de medir a deformação e temperatura até 20 km de fibra óptica. Quando os guindastes são espalhados uma grande área e espaçados a uma distância significante na direção horizontal perpendicular à direção de operação dos guindastes, pode não ser particularmente eficiente conectar no mesmo alojamento da estação de distribuição de energia o aparelho de amostragem bastante espaçado dos guindastes. Além disso, seria vantajoso empregar uma configuração de cabeamento tipicamente pré-existente da estação de distribuição de energias nos guindastes.

[000174] A figura 11 ilustra um sistema de monitoramento de uma pluralidade de cabos de trabalho pesado em uma área para as movimentações de mercadorias, tal como um terminal de contêineres em um porto de acordo com uma modalidade adicional da presente invenção. Os mesmos números são usados para identificar componentes iguais com as funções iguais ou similares aos elementos da figura 8. A estação de distribuição de energia 125 supre sinais de energia e controle a um primeiro grupo de guindastes 130, enquanto a estação de distribuição de energia 128 a um segundo grupo de guindastes 131. Qualquer uma das estações de distribuição de energia aloja um aparelho de amostragem Brillouin (não mostrado), que é opticamente conectado a um dos cabos de alimentação da outra estação de distribuição de energia por um cabo óptico 129, compreendendo duas fibras ópticas, que são preferivelmente fibras ópticas unimodais. O número de guindastes em cada grupo é meramente exemplar, embora o número possa tipicamente variar de 3 a 6.

[000175] Uma possível configuração óptica do sistema de monitoramento

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 59/68 / 54 da figura 11 é ilustrada no diagrama esquemático da figura 12. Um primeiro grupo de cabos de alimentação 145, 149, 150 e 152 compreende cada qual primeira e segunda fibras ópticas de alimentação, que são opticamente conectadas a uma respectiva fibra óptica de deformação e de temperatura dos respectivos cabos de trabalho pesado 146, 147, 148 e 151 por métodos conhecidos, tal como por meio de um conector óptico 167. O primeiro grupo de cabos de alimentação recebe energia de uma primeira estação de distribuição de energia. Um segundo grupo de cabos de alimentação 158, 159 e 160 compreende cada qual primeira e segunda fibras ópticas de alimentação, que são opticamente conectadas a uma respectiva fibra óptica de deformação e temperatura dos respectivos cabos de trabalho pesado 155, 156 e 157. O segundo grupo de cabos de alimentação recebe energia de uma segunda estação de distribuição de energia (não mostrada na figura 12). Duas portas ópticas de entrada/saída 163 e 164 de um aparelho de amostragem Brillouin 143 são opticamente conectadas a uma respectiva porta de entrada 165 e 166 de uma chave óptica 140. A porta de entrada/saída 163 emite um primeiro sinal óptico (bomba), ao passo que a porta de entrada/saída 164 emite um segundo sinal óptico (sonda). Com referência à figura 11, o aparelho de amostragem 143 e a chave óptica 140 podem ser, por exemplo, alojados na primeira estação de distribuição de energia 125. A chave óptica 140 é apta a dividir e direcionar o primeiro sinal óptico recebido para as duas portas de entrada/saída 141 e 161 e o segundo sinal óptico recebido para as duas portas de entrada/saída 142 e 162. A chave óptica 140 pode ser do tipo convencional, por exemplo, uma chave óptica de fibra monomodal 1x2 ou 1x4 ou 1x8.

[000176] As extremidades distais da fibra ópticas de deformação e temperatura de cada cabo de trabalho pesado do primeiro grupo são opticamente conectadas uma na outra (por exemplo, por meio de um conector 113) de maneira a formar um primeiro laço de fibra que tem, como primeira

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 60/68 / 54 extremidade aberta, a extremidade da primeira fibra de alimentação do primeiro cabo de alimentação 145 e, como a segunda extremidade aberta, a extremidade da segunda fibra de alimentação do quarto cabo de alimentação 152. A porta de entrada/saída 141 da chave óptica é opticamente conectada na extremidade proximal da primeira fibra óptica do primeiro cabo de alimentação 145 através da seção da fibra 111, ao passo que a porta de entrada/saída 142 da chave óptica é opticamente conectada na extremidade proximal da segunda fibra óptica do quarto (último) cabo de alimentação 152 através da seção da fibra 114.

[000177] O primeiro sinal óptico (bomba) emitido pela porta de saída 141 é lançado na primeira fibra de alimentação do cabo de alimentação 145, ao passo que o segundo sinal óptico (sonda) é lançado na segunda fibra óptica do cabo de alimentação 152. O primeiro sinal óptico entra em uma fibra de alimentação de um primeiro cabo de alimentação 145 do primeiro grupo, desloca ao longo do laço de fibra, isto é, propaga ao longo de todas as fibras dos cabos de alimentação e trabalho pesado do primeiro grupo, e emerge em uma fibra do último cabo de alimentação 152. O segundo sinal óptico emitido pela porta de entrada/saída 142 contrapropaga com relação ao primeiro sinal óptico que desloca ao longo do laço de fibra na direção oposta. O sinal retrodisperso de Brillouin que sai na segunda fibra óptica do cabo de alimentação 152 entra na chave óptica 140 e é analisado pelo aparelho de amostragem 143.

[000178] Similarmente, as extremidades distais de cada qual dos cabos de trabalho pesado 155, 156 e 157 do segundo grupo são opticamente conectadas uma na outra de maneira a formar um segundo laço de fibra com duas extremidades ópticas abertas, a saber, a primeira fibra óptica do cabo de alimentação 158 e a segunda fibra óptica de cabo de alimentação 160. No laço de fibra, a extremidade proximal da segunda fibra óptica do primeiro cabo de alimentação 158 é opticamente conectada com a primeira fibra óptica do

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 61/68 / 54 segundo cabo de alimentação 159 e similarmente a extremidade proximal da segunda fibra óptica do segundo cabo de alimentação 159 é opticamente conectada com a primeira fibra óptica do terceiro cabo de alimentação 160. As portas de entrada/saída 161 e 162 da chave óptica 140 são opticamente conectadas nas respectivas primeira e segunda fibras ópticas de conexão de um cabo óptico de conexão 144, que tem uma primeira extremidade proximal à chave óptica 140 e uma segunda extremidade distal com relação à chave óptica. Na extremidade distal do cabo óptico 144, oposta às extremidades proximais, primeira e segunda fibras ópticas de conexão são opticamente conectadas na primeira fibra óptica do cabo de alimentação 158 e na segunda fibra óptica do cabo de alimentação 160. Desta maneira, o segundo grupo de cabos de trabalho pesado recebe os dois sinais ópticos de amostragem do cabo de conexão 144, em que os sinais ópticos emitidos pelo aparelho 143 entram na chave óptica 140 e são direcionados para o cabo de conexão 144 pela chave óptica 140. O sinal retrodisperso de Brillouin gerado nos cabos de trabalho pesado do segundo grupo é realimentado no cabo óptico de conexão 144 e direcionado pela chave óptica 140 para as portas de entrada/saída 165 e 166 e assim para o aparelho de amostragem 143.

[000179] A modalidade descrita com referência às figuras 11 e 12 vantajosamente permite reduzir ainda mais os custos do sistema de monitoramento.

[000180] Embora nas modalidades apresentadas os cabos de alimentação sejam descritos para prover um elemento de fibra óptica incluindo pelo menos duas fibras ópticas, em virtude de isto poder representar o caso de um cabo de força convencional capaz de transportar dados ópticos e/ou sinais de controle, a presente invenção engloba um sistema de cabeamento de alimentação compreendendo um cabo de alimentação de força e um cabo óptico compreendendo pelo menos duas fibras ópticas. Neste caso, o cabo óptico pode correr ao longo do cabo de alimentação de energia e é opticamente

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 62/68 / 54 conectado nas fibras ópticas de deformação e temperatura dos cabos de trabalho pesado.

[000181] A presente invenção pode encontrar aplicação em um sistema de monitoramento no qual um aparelho de amostragem é opticamente conectado diretamente a uma pluralidade de cabos de trabalho pesado provido com um sensor de deformação de fibra óptica e preferivelmente com um sensor de fibra óptica de temperatura. Em outras palavras, em geral, o laço de fibra do sistema de monitoramento não precisa compreender os cabos de alimentação como elementos de suprimento de energia/controle intermediário para os cabos de trabalho pesado, especialmente se a pluralidade de cabos elétricos a ser monitorada não for espalhada em uma vasta área, tais como um terminal de contêineres de porto.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Cabo elétrico (l; 30; 40; 50; 60) compreendendo um sensor de deformação (5) se estendendo longitudinalmente ao longo do cabo e incluindo uma fibra óptica de deformação (9) arranjada em uma região neutra de dobramento envolvendo e incluindo um eixo longitudinal neutro de dobramento (Z; 69a) do cabo elétrico, e pelo menos dois elementos estruturais longitudinais (2, 7, 3; 43, 44; 53, 54; 61, 62, 63), pelo menos um dos pelo menos dois elementos estruturais longitudinais sendo um núcleo (2; 43; 53) compreendendo um condutor elétrico (12; 45; 59), caracterizado pelo fato de que o sensor de deformação (5) é embutido em uma carga de transferência de deformação (6; 25; 47; 51; 66) acoplando mecanicamente pelo menos um dos pelo menos dois elementos estruturais longitudinais com o sensor de deformação (5) pelo menos em uma condição deformada.
2. Cabo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a carga de transferência de deformação compreende um elastômero com módulo de Young de 0,01 a 0,7 GPa.
3. Cabo de acordo com as reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a carga de transferência de deformação é com base em um elastômero de termocura.
4. Cabo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o sensor de deformação compreende um invólucro protetor (8) envolvendo a fibra óptica de deformação (9) e em que a carga de transferência de deformação envolve e é congruente com o invólucro protetor.
5. Cabo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o invólucro protetor é com base em um compósito reforçado com fibra.

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 64/68

2 / 4
6. Cabo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o sensor de deformação compreende adicionalmente uma camada de isolamento firme (10) envolvendo a fibra óptica de deformação e sendo congruente com a fibra óptica de deformação (9) e o invólucro protetor (8).
7. Cabo de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a camada de isolamento firme é com base em um polímero de acrilato curável por radiação.
8. Cabo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a fibra óptica de deformação (9) é uma fibra óptica monomodal revestida com um sistema de revestimento.
9. Cabo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o cabo elétrico tem uma seção transversal substancialmente circular e o sensor de deformação é localizado centralmente com relação aos pelo menos dois elementos estruturais longitudinais.
10. Cabo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a carga de transferência de deformação acopla mecanicamente o sensor de deformação com os pelo menos dois elementos estruturais longitudinais.
11. Cabo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a carga de transferência de deformação acopla mecanicamente o sensor de deformação com o pelo menos um elemento estrutural longitudinal também em uma condição substancialmente não deformada.
12. Cabo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o cabo elétrico tem um raio de curvatura mínimo permissível predefinido, pmin, e a região neutra se estende radialmente a partir do eixo longitudinal central em não mais que 0,02pmin.
13. Cabo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente uma fibra óptica de temperatura (24;49;57) para sensoreamento de temperatura se estendendo ao longo do

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 65/68

3 / 4 comprimento do cabo e sendo encerrada em um módulo que se estende longitudinalmente (19;41;52) em construção solta.
14. Cabo de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o módulo que se estende longitudinalmente é compreendido em um elemento de fibra óptica (3) integrado no cabo em uma posição radialmente externa ao sensor de deformação.
15. Cabo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sensor de deformação compreende:

uma camada de isolamento firme (10) envolvendo a fibra óptica de deformação, e um invólucro protetor (8) encerrando a camada de isolamento firme, a carga de transferência de deformação envolvendo e sendo congruente com o invólucro protetor, em que pelo menos um primeiro elemento selecionado do grupo que consiste na camada de isolamento firme, no invólucro protetor e na carga de transferência de deformação é feito de um material elástico na faixa de deformação onde o cabo tem um comportamento elástico e pelo menos um segundo elemento do dito grupo é feito de um material plástico, e em que o pelo menos um segundo elemento feito de material plástico fica em contato com o pelo menos um primeiro elemento feito de material elástico e tem uma rigidez axial menor que a rigidez axial do pelo menos um primeiro elemento feito de material elástico.
16. Cabo de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um segundo elemento feito de um material plástico compreende a carga de transferência de deformação feita de um material selecionado no grupo que consiste em poliéster com módulo de Young de 1 a 5 GPa, poliamida com módulo de Young de 2 a 4 GPa, poli(cloreto de vinila) com módulo de Young de 0,003 a 0,01 GPa, polietileno de baixa densidade com módulo de Young de 0,1 a 0,3 GPa, e polietileno de alta densidade com

Petição 870190062845, de 05/07/2019, pág. 66/68

4 / 4 módulo de Young de 0,4 a 1,2 GPa.
17. Cabo de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que a camada de isolamento firme é com base em um polímero de acrilato curável por radiação.
18. Cabo de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um primeiro elemento feito de material elástico compreende o invólucro protetor.