Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2013. / Made available in DSpace on 2015-03-18T20:16:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 324631.pdf: 2608500 bytes, checksum: dfa152e7623d3b2a2fbe0122fe1b5085 (MD5) Previous issue date: 2013 / O recente crescimento do segmento de exploração e produção de petróleo e gás no Brasil impulsionou o desenvolvimento de dispositivos para o monitoramento das condições de operação de dutos. Atualmente são utilizados PIGs (Pipeline Inspection Gauges) inseridos na tubulação, cuja função pode variar desde limpeza até a medição de grandezas para avaliar, de forma off-line, a integridade dos dutos. Para avaliar as condições de operações de dutos, a utilização de técnicas convencionais de transmissão de dados entre transdutores instalados na parte externa e PIGs utilizando cabos é inviável devido à necessidade de perfuração da parede do duto. Tais procedimentos violam a integridade e podem provocar desastres ecológicos. Em contrapartida, a tecnologia de comunicação sem fio vem apresentando grande utilidade em diversas áreas da metrologia, devido à praticidade de instalação ou à necessidade de desacoplamento do sensor com a unidade de tratamento de sinais. Considerando que a maioria dos materiais de construção mecânica empregados na fabricação de tubos são metálicos, técnicas convencionais de transmissão de dados sem fio que utilizam radiofrequência apresentam limitações, devido à propriedade de blindagem eletromagnética dos materiais metálicos. Visando contornar os problemas provenientes da utilização de radiofrequência, no presente trabalho foram empregados transdutores piezoelétricos e transdutores acústicos eletromagnéticos, EMATs (do inglês, Electro Magnetic Acoustic Transducer), para geração de ultrassom em materiais metálicos. O objetivo foi desenvolver dispositivos para amplificação e pré-amplificação de sinais para uso em um sistema de comunicação dinâmica de dados por ultrassom através de paredes metálicas. Para a transmissão de sinais foi projetado e construído um módulo de amplificação capaz de fornecer tensão e corrente ao transdutor de emissão. A recepção contou com o desenvolvimento de quatro placas de pré-amplificação. A avaliação e a validação dos dispositivos desenvolvidos foram realizadas empregando diferentes combinações de transdutores EMATs e piezoelétricos para transmissão/recepção. Testes foram realizados, visando avaliar a eficiência das configurações, taxa de transferência (comunicação estática) e o número de pacotes recebidos (comunicação dinâmica).

Este trabalho descreve o projeto de um equipamento de pequeno porte para ensaio de acelerômetros, substituindo um conjunto de equipamentos de alto custo e integrando funções como uma mesa vibratória eletromagnética vertical, um amplificador DC de potência, um gerador de freqüências sinusoidais de precisão, um encoder de posição de referência, um multi-condicionador programável para acelerômetros e uma unidade microcontroladora de procedimentos de ensaio, com saída gráfica para impressoras seriais convencionais para portas RS-232C de microcomputadores. A calibração de acelerômetros é baseada em grandezas fundamentais medidas pelo equipamento, ao invés da utilização de acelerômetro de referência. O sistema eletromecânico de excitação é também descrito neste trabalho; a unidade microcontrolada pode gerar varreduras em freqüência e amplitude de forma a excitar o acelerômetro em teste ao longo da faixa de interesse. Os dados adquiridos do ambiente de teste são processados para gerar curvas de calibração e determinar índices de desempenho. / This work introduces a small sized equipment for the calibration of accelerometers, in substitution for a set of high-cost instruments, and integrating functions like an electromagnetic vertical shaker, a power DC amplifier, a precision frequency sine-wave reference position encoder, a programmable multi-type conditioner and a testing procedure micro-controller generator, a accelerometer unit, with outputs to graphic standard serial printers and to RS-232C microcomputer ports. The callibration of the accelerometer is based on fundamental quantities measured by the equipment instead of using accelerometer. A reference the electromechanical exciting system is also described in this work; the microcontrolled driver can generate sweeps in frequency and amplitude in order to excite the testing accelerometer along the interest range. Data collected from the testing environment are processed to generate calibration curves and characteristics.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2013. / Made available in DSpace on 2014-08-06T17:09:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 322577.pdf: 2871856 bytes, checksum: 7d9a4abeb35a722e0c5722b073bd3144 (MD5) Previous issue date: 2013 / Metodologias de prevenção a acidentes em oleodutos são bastante procuradas por empresas que trabalham no ramo do petróleo e gás. Hoje, a prevenção contra acidentes é feita principalmente com a ajuda de equipamentos denominados PIGs (Pipeline Inspection Gauges), que percorrem o trajeto feito pelo produto transportado procurando por falhas estruturais nas paredes das tubulações. Porém, os dados coletados por estemétodo são tratados apenas de maneira off-line, após a remoção do PIG da tubulação. No intuito de tornar o processo de prevenção contra acidentes mais rápido e dinâmico, o presente trabalho propõe o estudo das características construtivas de transdutores acústicos eletromagnéticos (EMATs - Electromagnetic Acoustic Transducers), que acoplados a pontos específicos das tubulações, e também aos PIGs, agilizarão o processo de detecção de falhas e de manutenção das tubulações, pois permitirão uma maior rapidez na coleta e tratamento dos dados adquiridos pelos PIGs. Este tipo de transdutor é composto por uma bobina, alimentada alternadamente, e um imã, que fornece um campo magnético estático. A interação entre corrente de Foucault, gerada pela bobina na parede da tubulação, e o campo magnético estático induz na parede metálica ondas ultrassônicas de intensidade proporcional à corrente aplicada na bobina e ao campo magnético incidente na superfície do material. Uma série de testes foram realizados para verificar a influência da espessura da trilha da bobina do transdutor para geração do sinal ultrassônico, bem como, a distância entre trilhas, a corrente aplicada, a quantidade de campo magnético, o lift-off (distância do transdutor à parede metálica) e o desalinhamento entre emissor/receptor. Os resultados dos testes são apresentados em forma degráficos, que de maneira simples ilustram a influência de cada variável parageração do sinal acústico. Também são apresentados resultados de testes realizados com transdutores que compartilham diferentes tipos de ondas, longitudinal/transversal, onde a realização da comunicação se mostrou viável. <br> / Abstract : Methodologies to prevent accidents in oil pipelines are very searched by oil and gas companies. Currently, the preventive measures against accident are specially carried out with equipment named PIGs (Pipeline Inspection Gauges), which go through the way of the transported product looking for structural damages on the pipe walls. However, the data gathered by this method are only analyzed in an off-line manner, i.e., after removing the PIG from pipe. Therefore, in order to make the process to prevent accident faster and more dynamic, this paper aims to study the constructive characteristics of Electromagnetic Acoustic Transducers (EMATs) that, once connected to both specific parts in the pipes and PIGs, will improve the process to detect fails and repair the pipes. Such transducer is composed of an AC coil and a magnet (which provides a static magnetic field). The interaction between the eddy current, generated by the coil no the pipe wall, and the static magnetic field induces ultrasound waves on the metallic walls of proportional intensity to the current applied to both coil and magnetic field around the material surface. Several tests were carried out to verify the influence of the transducer coil thickness path in order to generate an ultrasound signal, as well as the distance among the paths, the applied current, the magnetic field strength, the lift-off, and the misalignment of transmitter and receiver. The test outcomes are presented in graphic representation clearly showing the influence of each variant to the acoustic signal generation. There is also the presentation of outcomes related to tests carried out with transducers sharing different types of waves (longitudinal/transversal), in which the communication was viable.

Ligas da classe HP40 e similares são empregados em ambientes petroquímicos on-de a agressividade do meio provém da atividade do carbono a altas temperaturas. Normal-mente a pirólise de metano, etileno ou nafta apresentam como subproduto formação de carbono na forma de coque. Com a elevação de temperatura local, ocasionada pela baixa condutividade térmica do coque, a camada de óxido de cromo interna torna-se instável, eliminando a barreira à difusão de carbono. O carbeto de cromo criado pela difusão de car-bono apresenta dilatação térmica diferente da matriz causando tensões internas que em caso extremo ocasiona o rompimento do tubo. Este rompimento pode comprometer a ativi-dade do forno e a segurança da unidade petroquímica.. Neste trabalho foram criados transdutores magnéticos capazes de medir espessura de camada cementada. A determinação da porcentagem de material cementado, através de instrumentos precisos é primordial ao planejamento da manutenção e estudo de custo-benefício à substituição destes materiais. Sua confecção visou empregar materiais de baixo custo, facilidade de manuseio e adequação ao ambiente petroquímico.

Iniciamos o presente trabalho fazendo um estudo comparativo entre duas células de carga de compressão, ambas em formato cilíndrico, possuindo internamente, à meia altura do corpo, uma placa engastada. Estas duas células de carga são de aço SAE 1045; para uma delas adaptamos um modelo matemático teórico, através do qual foram pré-determinadas as suas dimensões, objetivando em comportamento ótimo no que se refere às distribuições de tensões e deformações, esta denominamos de Célula de Carga I. Na outra, denominada de Célula de Carga II, alteramos algumas dimensões, com a finalidade de comparar seu comportamento em relação à primeira. Também, no transcorrer do trabalho analisamos e comparamos os resultados matemáticos com os valores práticos encontrados. Frente aos resultados obtidos neste estudo prévio, projetamos, construímos e analisamos cinco outras células de carga (Células de Carga III, IV, V, VI e VII), em termos de geometria, material e tratamento térmico, visando o aperfeiçoamento de tais transdutores de força no que concerne a usinagem, resposta de sinal elétrico, limitações e aplicações industriais. / We begin the present research with a comparative study of two cyiindrical compression load cells with an internally placed plate at half of the full height of the cell body. The two load cells are built in SAE 1045 steel: For one of them we have adapted a theoritical mathematical model, through which, we have pre established its dimensions in function of an optimum behavior regarding the distribution of tensionsand output: We called this one load cell I. In the other one, called load cell II, we have altered some dimensions, so as to compare its behavior in relation to the first cell. During the work we have also compared the mathematical results with the practical values found. Based on the results as obtained in this previous study, we have designed, built and analysed five other load cells (Load cells III, IV, V, VI and VII), concerning their geometry, material and thermal treatment, aiming at the perfectioning of such force transducers, regarding the casting, electrical signal response, industrial limitations and utilizations.

Este trabalho apresenta uma metodologia para o desenvolvimento de transdutor de microondas para a mensuração de umidade em produtos agrícolas com a utilização de estruturas planares em microfita. O termo aquametria é definido na literatura como a área da instrumentação responsável por mensurar a quantidade de água presente em sólidos e líquidos via identificação de suas propriedades dielétricas. São apresentados alguns aspectos relativos à aquametria, seguidos do modelo matemático e numérico da interação das ondas eletromagnéticas no meio dielétrico com perdas. O modelo matemático é então especializado para dar conta de uma microfita com uma amostra úmida superposta. A partir desses resultados, são apresentadas três propostas de transdutores que buscam mensurar a permissividade dielétrica complexa efetiva do conjunto microfita mais amostra. Os transdutores propostos são então simulados com a aplicação do método de diferenças finitas no domínio tempo, objetivando não só verificar a qualidade dos mesmos, mas também validar o modelo matemático.

Este trabalho tem como objetivo o estudo e o desenvolvimento de um transdutor magnético de posição, cujo princípio de funcionamento é baseado na relação entre a distribuição do fluxo magnético em sua estrutura, provido por uma fonte de fluxo magnético constante, c.c. ou c.a., e a posição linear da parte móvel do transdutor ao longo de sua direção de deslocamento ou excursão. O transdutor pode ter entreferros de medição para medir a indução magnética nas culatras laterais, com fluxo magnético de excitação constante, c.c. ou c.a., ou não ter entreferros de medição, caso em que apenas fluxo magnético de excitação c.a. é empregado. Em ambos os casos, com fluxo magnético de excitação c.a., bobinas exploradoras foram usadas para medir o fluxo magnético estabelecido nas culatras de acordo com a posição da parte móvel do transdutor. Para o primeiro caso foi desenvolvido um protótipo no qual o material das culatras é aço maciço. Para o segundo foram desenvolvidos dois protótipos, um com barra de aço maciça, e o outro com núcleo de lâminas de Fe-Si. Além de se desenvolver uma modelagem analítica para estudar o transdutor, empregou-se, como ferramenta auxiliar de simulação, uma modelagem eletromagnética por elementos finitos. Os resultados teóricos, simulados e experimentais são esclarecedores e demonstram que o transdutor confeccionado com lâminas de Fe-Si e excitação através de fluxo magnético c.a. apresenta uma saída linear. É demonstrado também que a metodologia proposta e utilizada na modelagem e na concepção do transdutor são adequadas e indicam o domínio da teoria e da tecnologia propostas. As configurações sugeridas são extensivamente analisadas por este trabalho No caso do transdutor com fluxo magnético c.a. proposto e resultante desse estudo, sua topologia pode ser considerada inovadora, não sofrendo um efeito de histerese no seu sinal de saída devido à histerese magnética de suas culatras ferromagnéticas como acontece no transdutor com fluxo magnético c.c.. Isso, entre outras razões, ensejou o depósito de sua patente. Adicionalmente, é robusto, de fácil confecção, com enrolamentos que não requerem uma montagem de precisão como em outros transdutores eletromagnéticos de posição, e de baixo custo.

Este trabalho descreve o projeto de um equipamento de pequeno porte para ensaio de acelerômetros, substituindo um conjunto de equipamentos de alto custo e integrando funções como uma mesa vibratória eletromagnética vertical, um amplificador DC de potência, um gerador de freqüências sinusoidais de precisão, um encoder de posição de referência, um multi-condicionador programável para acelerômetros e uma unidade microcontroladora de procedimentos de ensaio, com saída gráfica para impressoras seriais convencionais para portas RS-232C de microcomputadores. A calibração de acelerômetros é baseada em grandezas fundamentais medidas pelo equipamento, ao invés da utilização de acelerômetro de referência. O sistema eletromecânico de excitação é também descrito neste trabalho; a unidade microcontrolada pode gerar varreduras em freqüência e amplitude de forma a excitar o acelerômetro em teste ao longo da faixa de interesse. Os dados adquiridos do ambiente de teste são processados para gerar curvas de calibração e determinar índices de desempenho. / This work introduces a small sized equipment for the calibration of accelerometers, in substitution for a set of high-cost instruments, and integrating functions like an electromagnetic vertical shaker, a power DC amplifier, a precision frequency sine-wave reference position encoder, a programmable multi-type conditioner and a testing procedure micro-controller generator, a accelerometer unit, with outputs to graphic standard serial printers and to RS-232C microcomputer ports. The callibration of the accelerometer is based on fundamental quantities measured by the equipment instead of using accelerometer. A reference the electromechanical exciting system is also described in this work; the microcontrolled driver can generate sweeps in frequency and amplitude in order to excite the testing accelerometer along the interest range. Data collected from the testing environment are processed to generate calibration curves and characteristics.

Este trabalho apresenta uma metodologia para o desenvolvimento de transdutor de microondas para a mensuração de umidade em produtos agrícolas com a utilização de estruturas planares em microfita. O termo aquametria é definido na literatura como a área da instrumentação responsável por mensurar a quantidade de água presente em sólidos e líquidos via identificação de suas propriedades dielétricas. São apresentados alguns aspectos relativos à aquametria, seguidos do modelo matemático e numérico da interação das ondas eletromagnéticas no meio dielétrico com perdas. O modelo matemático é então especializado para dar conta de uma microfita com uma amostra úmida superposta. A partir desses resultados, são apresentadas três propostas de transdutores que buscam mensurar a permissividade dielétrica complexa efetiva do conjunto microfita mais amostra. Os transdutores propostos são então simulados com a aplicação do método de diferenças finitas no domínio tempo, objetivando não só verificar a qualidade dos mesmos, mas também validar o modelo matemático.

Este trabalho tem como objetivo o estudo e o desenvolvimento de um transdutor magnético de posição, cujo princípio de funcionamento é baseado na relação entre a distribuição do fluxo magnético em sua estrutura, provido por uma fonte de fluxo magnético constante, c.c. ou c.a., e a posição linear da parte móvel do transdutor ao longo de sua direção de deslocamento ou excursão. O transdutor pode ter entreferros de medição para medir a indução magnética nas culatras laterais, com fluxo magnético de excitação constante, c.c. ou c.a., ou não ter entreferros de medição, caso em que apenas fluxo magnético de excitação c.a. é empregado. Em ambos os casos, com fluxo magnético de excitação c.a., bobinas exploradoras foram usadas para medir o fluxo magnético estabelecido nas culatras de acordo com a posição da parte móvel do transdutor. Para o primeiro caso foi desenvolvido um protótipo no qual o material das culatras é aço maciço. Para o segundo foram desenvolvidos dois protótipos, um com barra de aço maciça, e o outro com núcleo de lâminas de Fe-Si. Além de se desenvolver uma modelagem analítica para estudar o transdutor, empregou-se, como ferramenta auxiliar de simulação, uma modelagem eletromagnética por elementos finitos. Os resultados teóricos, simulados e experimentais são esclarecedores e demonstram que o transdutor confeccionado com lâminas de Fe-Si e excitação através de fluxo magnético c.a. apresenta uma saída linear. É demonstrado também que a metodologia proposta e utilizada na modelagem e na concepção do transdutor são adequadas e indicam o domínio da teoria e da tecnologia propostas. As configurações sugeridas são extensivamente analisadas por este trabalho No caso do transdutor com fluxo magnético c.a. proposto e resultante desse estudo, sua topologia pode ser considerada inovadora, não sofrendo um efeito de histerese no seu sinal de saída devido à histerese magnética de suas culatras ferromagnéticas como acontece no transdutor com fluxo magnético c.c.. Isso, entre outras razões, ensejou o depósito de sua patente. Adicionalmente, é robusto, de fácil confecção, com enrolamentos que não requerem uma montagem de precisão como em outros transdutores eletromagnéticos de posição, e de baixo custo.