Sistema de Teste Para um Torquímetro Dinâmico Telemétrico Aplicado a Eixos Rotativos

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1 Sistema de Teste Para um Torquímetro Dinâmico Telemétrico Aplicado a Eixos Rotativos Eudisley G. dos Anjos eudisley@les.ufpb.br Francisco A. Belo belo@les.ufpb.br Manuella D. C. Silva manuella@les.ufpb.br Ruan Delgado Gomes ruan@les.ufpb.br Resumo Este artigo apresenta o desenvolvimento de uma plataforma de testes para validação de um sistema de medição de torque. O sistema adquire várias medidas através de sensores associados a circuitos de transdução eletrônica, conversores analógico-digital (CAD), e, dispositivos de transmissão de dados por freqüências de rádio. Posteriormente trata e analisa os dados com a finalidade de monitorar o instrumento com qualidade e eficiência. Seu principal objetivo é a medição do torque no eixo do redutor de uma unidade de bombeio terrestre de petróleo (UBM), que se apresenta como um fator crítico para o funcionamento adequado das mesmas. Entretanto, o sistema é expansível a outros dispositivos de eixos rotativos. O sistema foi desenvolvido utilizando linguagem gráfica LabVIEW, que é um ambiente de programação otimizado para utilização em automação e instrumentação. 1. Introdução Em um processo industrial, a qualidade do produto gerado está intrinsecamente ligada ao monitoramento adequado e uma medida acurada das grandezas que influenciam seu desempenho. É necessário que exista uma instrumentação que garanta eficiência, qualidade e que propicie a segurança de todo o equipamento e do pessoal envolvido no processo [1]. Neste contexto, o torque se configura como uma das mais importantes características dos parâmetros de máquinas de produção. Os torquímetros atuais não atendem a demanda, existindo uma necessidade de uma solução em curto prazo no desenvolvimento de transdutores de torque que tenham uma larga faixa de atuação, alta definição, baixa depreciação com o tempo e fácil instalação [2]. Atualmente existem instrumentos bastante precisos, dependendo da aplicação, para obtenção do torque estático, mas ainda existem sérios desafios quando se deseja medir o torque dinâmico. A maioria dos processos de conversão ou transferência de energia utiliza dispositivos mecânicos rotativos, existindo um grande interesse em se obter um sistema de medição adequado, o que tem impulsionado vários estudos ao longo da história. Devido ao interesse financeiro nesta área por empresas do ramo, a abordagem final do instrumento é lacrada para se impedir uma análise técnica dos seus elementos constituintes, preservando o segredo industrial do produto. O que reflete na ausência de publicações técnicas no que diz respeito à arquitetura destes dispositivos [3]. É de suma importância para qualquer empresa, que seus equipamentos tenham a maior durabilidade possível, mantenham sua eficiência e precisem de pouca manutenção. Nesse contexto, um grande desafio, é a determinação e monitoramento do torque na engrenagem redutora das unidades de bombeio terrestres de petróleo. Uma forte torção no eixo pode danificar a caixa de redução fazendo com que seja necessária a sua substituição, o que representa um prejuízo elevado para a empresa, pois, além de interromper a extração de petróleo, o custo da caixa de redução corresponde a cerca de 50% do valor total de uma unidade de bombeio. Este trabalho tem como objetivo desenvolver um sistema de testes para validação de um método para determinação do torque em eixos rotativos. O sistema mede diversos valores e faz uma relação entre as grandezas obtidas para validar um sistema de medição de torque dinâmico. O sistema foi inicialmente aplicado ao eixo redutor de unidades de bombeio terrestre de petróleo, mas sua aplicação pode ser estendida a outros tipos de eixos rotativos. A utilização de um sistema computacional adequado possibilitou o monitoramento direto do torque no eixo de entrada do redutor, permitindo relacioná-lo a outras medidas em diversos pontos da unidade de bombeio. O sistema é dividido em duas unidades, uma unidade base e uma remota. A unidade remota é composta por um circuito de transdução eletrônica aliado a extensômetros para medição da torção no eixo, um módulo de rádio freqüência para envio dos dados da torção e posição, sensores de efeito hall para detecção de posição, sensores de corrente e transformadores de tensão. A unidade base é formada por um CAD, um módulo de rádio freqüência (RF) aliado a uma interface de comunicação serial e um PC embarcado que contém o software desenvolvido e armazena os dados adquiridos para análise posterior. 1

2 2.3. Sensor de Efeito Hall (Posição) Figura 1. Eixo do redutor de uma UBM e os dispositivos que são acoplados a ele. 2. Tecnologias Utilizadas A escolha dos dispositivos foi norteada pela relação custo/beneficio e pela precisão requerida na aquisição Módulos de Radio Freqüência Os dados relativos ao torque e posição são enviados através de ondas de rádio, que são captadas por um RF acoplado a uma interface de comunicação serial. Inicialmente optou-se pela utilização dos módulos RF DM1800 da Cirronet. Esses dispositivos possuem um baixo custo e operam em uma freqüência de 916 MHz, com taxa de transmissão de 4 Kbps. Após vários testes, esses dispositivos se mostraram ineficazes para o sistema devido a problemas de velocidade de transmissão, a impossibilidade de alteração do firmware e a dificuldade de acesso ao protocolo de rede utilizado. Optou-se então pelos módulos RF XBee da Maxstream, que utilizam o protocolo ZigBee. Esses módulos operam em faixa de freqüência de 2.4 GHz e possuem taxas de transmissão de dados de 250 Kbps Conversor Analógico para Digital Foi utilizado um CAD NI USB-6009, da National Instruments, que possui uma precisão de 12 bits. Este dispositivo foi utilizado para adquirir dados de tensão, corrente e velocidade no motor. Para detecção da posição angular foi utilizado um sensor de efeito Hall aliado a um disco com ímãs. O funcionamento do sensor de efeito Hall se baseia na detecção de um campo magnético. Ao passar por um ímã o sensor responde enviando oito ou zero volts dependendo do pólo do ímã. O sensor funciona como um circuito digital seqüencial, onde o valor de resposta é guardado por um latch, ou seja, ao passar por um ímã, o sensor envia o valor correspondente até que o sensor passe por outro ímã com polaridade diferente e mude o seu valor. Inicialmente foi utilizado um sensor óptico para tal finalidade, porém o sensor não oferecia segurança, pois seus valores eram imprevisíveis, e isso dificultava a construção de um sistema genérico em relação à velocidade de rotação. O fato de o sensor de efeito Hall funcionar de forma digital ajudou bastante o processo, já que dessa forma os valores são previsíveis e o sistema se torna confiável para diferentes velocidades Sensor de Efeito Hall (Corrente) e Transformador de Tensão Outra variação do sensor de efeito Hall foi utilizada para medição de corrente no motor. Os dados de corrente foram utilizados junto com medidas de tensão adquiridas através de um transformador de tensão para cálculo da potência no motor Extensômetros e Circuito de Transdução Eletrônica Para medida da torção no eixo foram utilizados extensômetros de resistência elétrica. Os extensômetros ficam acoplados a superfície e conseguem detectar qualquer deformação ocorrida nesse eixo. Posteriormente o sinal é processado e amplificado por um circuito de transdução eletrônica, e então enviado pelo módulo de RF LabVIEW O software foi desenvolvido utilizando a linguagem de programação gráfica LabVIEW, criada pela National Instruments. LabVIEW é uma plataforma otimizada para aplicações em automação e instrumentação e apresenta facilidades na aquisição de dados através de dispositivos de hardware externos. Uma grande vantagem da linguagem é a facilidade para desenvolver sistemas utilizando programação concorrente, o que é essencial para a aplicação, pois esta deve sincronizar a aquisição de todos os sensores, adquirindo os dados ao mesmo tempo. 2

3 3. Dados Adquiridos Para a validação do sistema, fez-se necessário uma análise detalhada de diversos dados, obtendo uma relação entre eles para verificar a eficácia e a coerência do método de medição do torque. Além da torção no eixo, foram colhidos dados referentes à posição angular do eixo, à velocidade angular, corrente e tensão no motor Torção Para medir a torção no eixo, foi utilizado um sistema baseado em extensômetros de resistência elétrica (ERE), o ERE tem a capacidade de variar sua resistência de acordo com a deformação do meio em que está acoplado. Através da deformação captada pode-se obter a relação entre o torque e a variação da resistência no extensômetro através de uma equação Posição Angular Para detecção da posição angular do eixo foi utilizado inicialmente um sensor óptico, porém as suas características não foram favoráveis à aplicação, devido ao seu comportamento analógico, o que provocava uma variação no comportamento do sinal se o eixo fosse rotacionado em velocidades diferentes. Optou-se então por sensores de efeito Hall por apresentarem características mais apropriadas para a aplicação, devido ao seu comportamento que torna previsível o valor do sinal independentemente da velocidade de rotação. Para detecção da posição foi utilizado um disco com ímãs, dispostos de forma intercalada em relação à polaridade. Quando ocorre mudança de estado no sinal enviado pelo sensor, significa que ele passou por um ímã. A referência (ângulo zero) foi identificada utilizando um disco com dois ímãs e um sensor auxiliar, que avisa ao sistema quando passar pela referência. Os dados relativos ao torque e posição são recebidos pelos CAD do módulo RF, empacotados e enviados através de freqüências de rádio para a unidade base. Na unidade base, no módulo RF receptor, os dados são desempacotados e passados ao PC embarcado por uma interface serial. Com os dados da posição angular e com as aquisições atribuídas a tempo, com precisão em milissegundos, é possível calcular a velocidade angular Tensão e Corrente 4. Funcionamento do Sistema (Software) O software integra três módulos que operam em seqüência. O primeiro módulo é responsável pela aquisição dos dados, o segundo pelo tratamento de dados e o terceiro pela análise e visualização dos dados. O módulo de aquisição é responsável pela comunicação entre o software e os dispositivos de hardware externos. Este módulo trabalha de forma concorrente adquirindo e interpretando os dados recebidos por um CAD, através de porta uma USB, e por RF, através de uma porta serial, simultaneamente. Os dados adquiridos pelos dispositivos são armazenados em arquivos diferentes para posterior tratamento. No modulo de aquisição também é feita uma parte da decodificação do protocolo de envio do RF. O protocolo utilizado pelo RF é o protocolo Zigbee. Nesse protocolo os dados são enviados em formato ASCII. O modulo de aquisição converte os dados para hexadecimal. Os sinais de tensão e corrente localizados no motor têm seus dados digitalizados e enviados por um CAD que opera a uma freqüência de 520 Hz. Os sinais de efeito Hall na saída do redutor e as medidas de torção são enviados pelo RF que opera a uma freqüência mais baixa (64,5 Hz). Inicialmente os dados de posição eram transmitidos separadamente dos dados de torque, sendo digitalizados também através do CAD, porém para uma melhor sincronização entre torque e posição optou-se por enviar os dados de posição junto dos dados de torque. O módulo de tratamento de dados é responsável por gerenciar e organizar os dados adquiridos e fazer os devidos cálculos armazenando os resultados em arquivos finais. A integridade dos pacotes das aquisições obtidas por transmissão de RF, armazenados em hexadecimal no módulo de aquisição, serão analisadas e os que não tiverem sofrido perdas irão ser convertidos para decimais e salvos em um novo arquivo. Neste módulo também serão feitos cálculos como os da velocidade angular e de potência no motor e a organização das demais informações a serem extraídas das aquisições. O módulo de análise e visualização dos dados lê os arquivos organizados, analisa os valores contidos nesses arquivos e gera relatórios e gráficos que permitem a visualização dos resultados das aquisições. Após a análise é possível obter várias relações entre as medidas obtidas, algumas delas são os gráficos e/ou arquivos relativos a torque versus ângulo, velocidade angular nos eixos do redutor e do motor, e potência no motor.. Sinais de tensão e corrente no motor foram adquiridos para efetuarem-se cálculos de potência. Uma vez obtidos, esses dados são digitalizados por um CAD e transmitidos via USB. 3

4 Figura 2. Módulo de Aquisição. Figura 4. Gráfico Torque versus Ângulo. Após um período de testes utilizando a bancada, o sistema está sendo implantado em uma unidade de bombeio terrestre modelo C-456D da PumpJack, da PETROBRAS na cidade de Carmópolis - SE. Após algumas aquisições os dados foram analisados, e observou-se uma curva característica do torque, em comparação ao cálculo feito pela PETROBRAS que obedece à norma da API (Figura 5). As figuras 6, 7 e 8 mostram os sinais adquiridos nos primeiros testes em unidade de bombeio. Figura 3. Módulo de Tratamento. 5. Resultados Após o processo de tratamento de dados, é gerado um arquivo contendo a relação torque versus ângulo. Desse modo foi possível observar os pontos de torque máximo e mínimo. Com os dados adquiridos também foi possível fazer uma análise comparativa do torque com a potência do motor e a velocidade angular tanto do motor quanto do eixo redutor. Inicialmente foi utilizada uma bancada de testes que simula o movimento de rotação do eixo do redutor de uma unidade de bombeio. Utilizando essa bancada foram obtidos os primeiros resultados. A figura 4 mostra um gráfico de relação torque versus ângulo com dados adquiridos nos testes com a bancada. A curva forma uma senoide quase perfeita, isso se da pelo fato de no protótipo o eixo girar livremente com peso uniforme. Figura 5. Curva de Torque Calculada pelo Método da API. 4

5 Através desses dados pode-se verificar uma semelhança entre a curva de torque achada através da torção no eixo, a curva de potência calculada através dos parâmetros elétricos e a curva de torque calculada através do método da API. Os dados ainda estão em fase de analise e esta sendo feita uma calibração para obter parâmetros que permitirão calcular o valor verdadeiro do torque através da torção e da potencia. 6. Conclusão Figura 6. Aquisição da torção e dos sensores de efeito Hall (posição). O sistema atuou como uma ferramenta essencial no desenvolvimento do instrumento de medição de torque, oferecendo a possibilidade de monitoramento dos valores e visualização dos mesmos de forma agradável. Com os testes feitos em protótipos e em unidades de bombeio foi possível fazer uma análise dos dados adquiridos e melhorar o sistema para que este funcionasse de forma ótima. Após a fase de testes o instrumento entra então em fase final de desenvolvimento. Um sistema embarcado baseado em FPGA (chip programável) para aquisição e interpretação de pacotes receberá os dados de torque e os disponibilizará utilizando o protocolo ModBus ou um sinal analógico no padrão 4-20 ma. O sistema se mostra como alternativa na medição do torque em unidades de bombeio, substituindo o cálculo indireto que é feito atualmente. O erro do cálculo atual pode chegar ate 20%, enquanto que o sistema prevê um erro em torno de 1%. Figura 7. Sinais de tensão e corrente (em cima) e curva de potência. Figura 6. Sistema Embarcado que receberá os dados. 7. Agradecimentos Figura 8. Gráfico torque versus angulo. Agradecemos ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) pelo suporte financeiro e acadêmico e a Petróleo Brasileiro S.A. (PETROBRAS) pelo apoio financeiro e auxílio a testes e visitações em campos de extração de petróleo. 5

6 8. Referências Bibliográficas [1]Preobrazhensky, V.P., 1980, Measurements and Instrumentation in the Heat Engineering, Mirr Publishers, URSS, 694 p. [2]Z. Meng e B. Liu, Research on the Laser Doppler Torque Sensor, Journal of Physics: Conference Series, Vol. 48, Institute of Physics and IOP Publishing, 2006, pp [3]R.M. Brito, Sistema Eletro-Eletrônico para Medição Direta de Torque em Dispositivos Girantes Utilizando Extensômetros de Resistência Elétrica, Tese de Doutorado, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Brasil, 1994, pp. 145 [4] S. C. Ergen, ZigBee/IEEE Summary, 2004, 37 p., ZigBee Alliance, [5]Rahman, Jamal; Pichlik, Herbert. LabVIEW applications and solutions. Rio de Janeiro: Prentice Hall,