BRPI1001443B1 - sensor óptico de proximidade sem contato mecânico aplicado a materiais ferromagnéticos - Google Patents

Abstract

SENSOR OPTICO DE PROXIMIDADE SEM CONTATO MECANICO APLICADO A MATERIAIS FERROMAGNETICOS. A patente de invenção para o sensor de proximidade sem contato mecânico é composto por um ímâ, com um grau de liberdade para deslocamentos radiais, em relação ao eixo da turbina (poderia ser outro elemento com corpo ferromagnético), mas acoplado mecanicamente a uma fibra óptica com uma Grade de Bragg, que deve se manter fixa na extremidade de conexão. A maior ou menor proximidade de um material ferromagnético aumenta ou reduz a força do imã atuando sobre a fibra estruturada na grade de Bragg mas sem deslocamento axial significativo, a fibra se estende a partir do ponto de fixação para o meio externo até o local de medição.

Description

A presente patente de invenção trata de sensoriamento da medição da distância sem contato mecânico contra um material ferromagnético, é composto por um ímã 9, com um grau de liberdade para deslocamentos radiais, em relação ao eixo da turbina (poderia ser outro elemento com corpo ferromagnético), mas acoplado mecanicamente a uma fibra óptica 2 com uma Grade de Bragg 1, que deve se manter fixa na extremidade de conexão 14. A maior ou menor proximidade de um material ferromagnético aumenta ou reduz a força do imã atuando sobre a fibra estruturada na Grade de Bragg 1, mas sem deslocamento axial significativo a fibra se estende a partir do ponto de fixação 10 e 12 para o meio externo até o local de medição. O sistema de medição é proveniente ao imã 9 presente no sensoriamento que interage com o aço e faz força fracionando a mola da Grade de Bragg 1, sendo que a Grade é sintonizada sensivelmente para que haja leitura do sensor caracterizado pela interação magnética e trabalhe dentro de uma faixa de comprimento de onda plausível ao sistema de gerenciamento e analise, onde se faz a leitura da onda espectral, sinais este emitido pelo sensor.

O imã 9 é montado próximo ao material ferroso da turbina em uma proteção mecânica 8, quanto mais perto ele é montado maior sensibilidade, e vai exercer uma força proporcional a distância entre o sensor e o eixo da turbina, o prospecto de luz incidente à Grade de Bragg 1, parte é transmitida 6 e parte é refletida 7, dessa forma o comprimento de onda da luz refletida 7 varia diretamente e proporcionalmente à variação da tração aplicada à Grade, o comprimento de onda que retorna será proporcional à proximidade do sensor ao material ferromagnético, assim a interação magnética do imã reage com a oscilação do eixo da turbina, fazendo uma redução ou um aumento na tração aplicada à Grade de Bragg 1.

O modelo existente no mercado é normalmente comercializado, como um sensor magnético que é facilmente encontrado e faz parte do conjunto da turbina, porém no painel de controle da usina mostra pontualmente por meios de leds avarias detectadas, ou seja, caso ocorra uma falha na medição do sensor ou em sua alimentação o operador não saberá exatamente o que acontece ou qual a ocorrência detectada, e não procede em meio de gerenciamento para saber qual a medição de deslocamento do eixo, este sistema é atualmente utilizado.

O eixo das turbinas nas unidades geradoras hidroelétricas sofrem vibrações e tais vibrações podem ocasionar manutenções corretivas nos mancais e nos embuchamentos das unidades, isso significa dizer que a unidade geradora fica por dias parada e devido a retirada do eixo para a manutenção, que deve ser feita por guindastes devido ao peso da estrutura, o custo operacional da manutenção corretiva gera para a empresa prejuízo e risco operacional para seus funcionários.

O sensor do referido pedido realiza por efeito magnético do imã 8 existente acoplado e conectado a uma polia 10 que atua sobre a Grade de Bragg 1 e ligado em série ao sistema de compensação de temperatura; o imã faz com que se tenciona e relaxa polia 10, da qual está acoplada à Grade de Bragg 1, a variação magnética do imã 9 reflete sistematicamente à grade, onde opticamente sintoniza um comprimento de onda característico gerando uma linha espectral referente e proporcional ao valor medido da vibração de deslocamento do eixo da turbina na unidade geradora de energia elétrica magneticamente. O distanciamento entre o transdutor e o material ferromagnético é quantificado com a maior ou menor interação ferromagnético do imã 9 com o material, respeitando sua faixa de trabalho, este sistema proporciona a otimização das ações de manutenção substituindo a manutenção periódica e corretiva, por ações de manutenção racional baseada nas reais condições operativas do equipamento, reduzindo o custo da manutenção e tendo um maior controle sobre o equipamento, evita também o desligamento desnecessário da turbina para as devidas manutenções não programadas. As classificações internacionais de patente para invenções que tratam de sensoriamento e princípios de medição por condução direta, por detecção de variações elétricas ou magnéticas são G01 H 1/00; G01 H 3/00; G01 H 9/00; G01 H 11/00 , para instrumentos de medição elétrica, eletromecânica, medição de variáveis elétricas e magnéticas são G01 R e subitens. O dispositivo citado no documento US 5075629, registra e relata um equipamento de detecção sensoriada de descargas parciais via de uma antena por via de descarga eletromagnéticas. O documento US 7330241 menciona um dispositivo óptico de medição à distância por sensor óptico que detecta a presença de um objeto a ser medido num determinado intervalo de medidas e uma direção. Convencionalmente, sensores ultrassónicos, reflexão tipos de sensores infravermelhos, sensores infravermelhos de distância de medição e assim por diante, foram utilizadas como sensores para detectar objetos específicos. Sensores ultrassónicos possuem uma ampla visão de ângulo em detectar uma longa distância, mas não pode detectar alguns objetos como cobertores, cortinas, sofás e assim por diante, porque elas absorvem ondas sonoras. Além disso, os sensores ultrassónicos não podem detectar uma direção na qual um objeto está localizado. Este tipo de sensor é utilizado em um sistema de transmissão e recepção de ondas, o sensor envia uma onda sonora e a mesma é refletida pelo objeto a ser identificado pelo sensor localizando o mesmo em por exemplo em uma esteira ou em algum processo de fabricação.

Um outro dispositivo é relatado no documento US 7301334 trata de um sistema que inclui um ímã de proximidade que produz um campo magnético e um sensor com um interruptor. O switch inclui um carro apoiado por uma estrutura fixada, o interruptor tem um material magnético e um eixo longitudinal, o material magnético torna o interruptor sensível ao campo magnético, de tal forma que o eixo esteja configurado para se deslocar entre primeiro e segundo estados, a mudança também inclui contatos apoiado pela estrutura de apoio, ou seja, um liga e desliga. Quando o ímã se desloca em relação ao sensor, o eixo interage com reciprocidade e um dos contatos interage na posição do ímã durante o movimento, serve como se fosse um liga e desliga de algum equipamento ou como apresentado na patente anteriormente citada.

O sistema proposto como inovação possibilita a medição da proximidade (distância) sem contato mecânico, com tecnologia óptica, sendo que sua disposição sem alimentação elétrica produz em um sistema de gestão formas de ondas que podem ser analisadas verificando o desgaste mecânico sofrido pelas vibrações e o correto funcionamento do eixo da unidade geradora, proporcionando rotações e frequência adequada para geração de energia elétrica. Possibilita o monitoramento contínuo da medição deste parâmetro, proximidade e temperatura e outros, a distâncias relativamente longas do local de medição, onde parâmetros ambientais, tais como variação de temperatura, umidade, ruídos elétricos e interferências eletromagnéticas do meio externo não interagem com os dispositivos eletrônicos que fazem aquisição e processamento de dados (sistema de gestão de dados, analise espectral), permite a construção de rede de sensores (limitável ao valor espectral, largura de espectro) sendo um sistema conjugado e paralelo de sensoriamento, onde monitora todas as unidades geradoras de uma usina hidroelétrica, em termos de deslocamento e medição de distância de eixo.

A maior ou menor força do imã 8 atuando sobre a Fibra com Grade de Sragg 1, altera microscopicamente o comprimento do segmento de fibra e altera o período 5 da grade. O período (A), em sub-micra e, esta alteração axial no período da grade, muda a sintonia do comprimento de onda de ÀB ± ΔA. Se o período A aumenta, a sintonia do ÀB incrementa, se A diminui ÀB decrementa. A largura espectral ΔA da grade é inversamente proporcional ao comprimento total da grade construída na fibra, por ex. uma grade de 1 mm tem um ΔA maior que uma de 10 mm. Para a máquina com o eixo parado, a temperatura influência consideravelmente, pois o sistema genérico trata-se da relação de variação na sintonia, pela equação ΔAB/AB=(a+n)ΔT, é influenciada diretamente por sua variação, do qual pode apresentar um erro de leitura onde o eixo desloca-se consideravelmente perpendicularmente ao sensor, para tanto essa leitura só ocorre com o eixo parado.

A alteração microscópica no período da grade provém da elasticidade da fibra. Uma variação ΔL no comprimento do segmento de fibra com comprimento LO produzida por uma força externa F é diretamente proporcional à magnitude da força e ao comprimento inicial LO, inversamente proporcional à área da seção circular da fibra A, expressa por ΔL = (1/E) x (LO F / A). Onde E é o módulo de Young da fibra e (1/E) um coeficiente de proporcionalidade.

A variação na sintonia do ÀB pode ser medida diretamente através de um analisador de espectro óptico apropriado, de um interrogador apropriado ou de um medidor do nível de potência óptica W. Uma calibração prévia em laboratório da curva P(AÀ) ou P(W) possibilita a leitura direta do parâmetro a ser medido (proximidade P), no domínio de comprimento de onda AÀ ou no domínio de potência óptica W, em tempo real.

O sensor de proximidade por atuação axial na Fibra com Grade de Sragg (FSG) 1 tem seu funcionamento com base nos princípios da interação magnética proporcional à distância imã II eixo de aço e na propriedade de uma FBG em mudar a sintonia do comprimento de onda refletido pela grade de Bragg da unidade de sensoriamento.

A tecnologia de fibras ópticas, em componentes a fibras e componentes optoeletrônicos permitiu o advento de novos sensores intrínsecos a fibra óptica com grade de Bragg - FBG (Fiber Bragg Grating), que corresponde a uma fibra óptica contendo um segmento da ordem de milímetros em que o índice de refração do núcleo da mesma apresenta uma variação periódica entre nO e (nθ+ Δn), com período A, o qual, quando recebe um sinal S de espectro largo e sem estruturas (picos ou vales), tem a propriedade de refletir em sentido oposto, pela mesma fibra, uma pequena parcela de S, o sinal S', cujo comprimento de onda ÀB está casado com a estrutura da grade de Bragg e transmitir os demais comprimentos de onda contidos no sinal resultante S". Alterando-se o período A, altera-se também o comprimento de onda refletido (ÀB + AÀB). Essa modificação no comprimento de onda pode então ser utilizada como princípio de medição para muitos parâmetros, como tensão elétrica, tensão mecânica ou força, deslocamento, temperatura, proximidade etc. Com base neste princípio foi construído um sensor de proximidade. O sensor é composto de um material ferro magnético, ímã 8 e 9, mecanicamente montado atuando diretamente de modo unidirecional no eixo de uma polia por onde passa uma fibra óptica 2 com uma grade de Bragg 1 e todo material que compõe o módulo sensor não pode ser ferromagnético. O segmento de fibra contendo a grade tem as extremidades, anterior e posterior a grade de Bragg, mecanicamente fixadas em pontos distintos sem qualquer deslizamento 10 e 12, mas conectadas opticamente ao meio externo do encapsulamento 14. Por isso a tração mecânica sentida na FBG é metade da tração mecânica sobre o imã 9. No meio externo, ao encapsulamento do sensor 11, as fibras que saem do elemento sensor, são protegidas por um revestimento secundário de 900 um e / ou um acabamento em cordão mono- fibra para melhorar resistência mecânica.

O sensor é fabricado a um baixo custo, pois é construído com materiais existentes no mercado, como a Grade de Bragg, o processo de fabricação é relativamente simples diminuindo os gastos com manutenção preventiva e corretiva dos mancais e embuchamentos da unidade geradora de uma usina hidroelétrica, possibilitando assim uma monitoração continua do perfeito funcionamento da turbina geradora de energia elétrica, este sistema permite também a aplicação da manutenção preventiva programada já que devido às vibrações da unidade provoca desgastes naturais nos pontos de apoio. Evita riscos à saúde do operador, por se tratar de manutenção em equipamento em lugar insalubre, que envolve muito peso e que indiretamente significa redução de gastos com ações trabalhistas e redução de homem hora e menor exposição de risco durante a manutenção.

O sistema de compensação de temperatura é o ponto referencial para a leitura do deslocamento devido a sua baixa variação nas proximidades da turbina, porém tem influência direta e proporcional na estruturação e calibração do sensoriamento da distância, a calibração é realizada opticamente conforme esquema genérico apresentado na figura 3 acoplado em série ao sistema do sensoriamento. O sinal de luz é introduzido em um circulador óptico, na porta 1 e sai na porta 2, o espectro óptico de retorno da porta 2 vai para a porta 3, onde é realizado a leitura óptica pelo sistema de detecção, o sensor de referência de temperatura é um sistema alimentado também por uma grade de Bragg, que muda de sintonia de acordo com a variação da mesma, é colocado próximo ao sensor de proximidade do qual qualquer variação detectada na temperatura que transladar o valor de sintonia referente ao sensor, possibilita um ajuste automático pois os componentes são compostos e do tipo par casado.

A invenção passará a ser descrita a seguir com referência a concretizações típicas da mesma e também com referência aos desenhos anexos, nos quais: A figura 1 ilustra o princípio de funcionamento de uma Grade de Bragg 1 em Fibra (FBG -Fiber Bragg Grating); corresponde a uma fibra óptica 2 contendo um segmento da ordem de milímetros 3 em que o índice de refração do núcleo 4 da mesma apresenta uma variação periódica entre no e (no + Δn), com período Δ 5, o qual, quando recebe um sinal S de espectro largo e sem estruturas (picos ou vales), tem a propriedade de refletir em sentido oposto, pela mesma fibra, uma pequena parcela de S, o sinal S', cujo comprimento de onda ÀBestá casado com a estrutura da Grade de Bragg 1 e transmitir os demais comprimentos de onda contidos no sinal resultante S". Alterando-se o período A 5, altera-se também o comprimento de onda refletido (ÀB+ ΔAB).

A figura 2 ilustra o esquemático do sensor óptico de proximidade à fibra 2 com Grade de Bragg 1; o senso r é composto de um material ferro magnético, ímã 9, mecanicamente montado atuando diretamente de modo unidirecional 8 no eixo de uma polia 10 por onde passa uma fibra óptica 2 com uma Grade de Bragg 1 e todo material que compõe o módulo sensor não pode ser ferromagnético. O segmento de fibra contendo a grade tem as extremidades, anterior 12 e posterior 13 a Grade de Bragg, mecanicamente fixadas em pontos distintos sem qualquer deslizamento 13, mas conectadas opticamente ao meio externo do encapsulamento 14. Por isso a tração mecânica sentida na FBG é metade da tração mecânica sobre o imã 9. No meio externo, ao encapsulamento do sensor 11, as fibras que saem do elemento sensor, são protegidas por um revestimento secundário de 900 um e / ou um acabamento em cordão monofibra para melhorar resistência mecânica. A maior ou menor proximidade de um material ferromagnético aumenta ou reduz a força do imã atuando sobre a fibra com Grade de Bragg 1, respectivamente, mas sem deslocamento axial significativo. Como o coeficiente de elasticidade de uma fibra revestida é da ordem de 0,05 o deslocamento axial é pequeno (da ordem de 50 ~m), desde que seja usando na construção do sensor um segmento de fibra com comprimento pequeno. Subentende-se como segmento de fibra à distância entre o ponto que tangência a polia do imã 9 ao ponto de fixação da fibra. A fibra se estende a partir do ponto de fixação para o meio externo até o local de medição (entre 100m e 10 km).

A figura 3 ilustra o sistema óptico de detecção genérico; o sinal de luz é introduzido em um circulador óptico, inicialmente o sinal sai do SLED e vai diretamente pelo circulador para o sensor, o sinal óptico em espectro que retoma do sensor vai para o sistema de detecção, onde é realizado a leitura óptica do espectro de onda, o sensor de referência de temperatura é um sistema alimentado por uma Grade de Bragg, que muda de sintonia de acordo com a variação de temperatura, ele é colocado próximo ao sensor de proximidade, qualquer variação de temperatura que transladar o valor de sintonia referente ao sensor, ela possibilitará uma falsa medição, de tal forma que estes componentes devem ser do tipo "par casado".

O sensor de proximidade é excitado por uma fonte de luz de espectro largo sem estrutura com alta potência proveniente de um SLED (Superdiodo Emissor de Luz). A luz procedente do SLED passa por um circulador óptico, um componente óptico com três portas, entra pela porta de número 15, saí pela porta número 16 em direção ao sensor de proximidade. Uma 5 fração da luz, com o comprimento de onda À casado com a grade de Bragg do sensor, retorna pela mesma fibra ao circulador óptico para a porta 16 e sai do circulador pela porta 17 que está conectada por fibra ao equipamento de detecção que pode medir: o nível do sinal o comprimento de onda e largura espectral do mesmo que é um analisador de espectro rápido, o comprimento de onda do sinal que é um interrogador rápido ou um medidor de 10 potência óptica.

Claims (2)

1) "SENSOR ÓPTICO DE PROXIMIDADE SEM CONTATO MECÂNICO APLICADO A MATERIAIS FERROMAGNÉTICOS" caracterizado por não necessitar de fornecimento de alimentação de energia elétrica, por via de um transdutor magnético, composto por um ímã (8) ligado em série a um sistema de compensação de temperatura, acoplado mecanicamente, e que atua diretamente de modo unidirecional no eixo de uma polia (10) por onde passa uma fibra óptica com uma Grade de Bragg (1), de forma que a interação magnética do ímã com o material ferromagnético do local medido reduz ou aumenta a tração aplicada à Grade de Bragg (1), com o sensor (11), em seus seguimentos anterior e posterior da fibra (2), mecanicamente fixadas em pontos distintos (10) e (12), sem qualquer deslizamento, mantendo a fibra óptica fixa numa extremidade de conexão (14), seu comprimento de onda da luz refletida (7) na Grade de Bragg (1) varia diretamente e proporcionalmente à variação da tração aplicada à Grade (1) de forma a sintonizar seu comprimento de onda característico gerando uma linha espectral, referente e proporcional ao valor da distância da vibração de deslocamento do material ferromagnético.

2) "SENSOR ÓPTICO DE PROXIMIDADE SEM CONTATO MECÂNICO APLICADO A MATERIAIS FERROMAGNÉTICOS", de acordo com o descrito na reivindicação 1, caracterizado por possuir um ímã (9), com proteção mecânica (8), montado próximo ao material ferroso.

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