BRPI0710198A2 - aparelho e método para detectar desgaste de correia de transmissão e monitorar desempenho de sistema de acionamento de correia - Google Patents

Abstract

<B>APARELHO E METODO PARA DETECTAR DESGASTE DE CORREIA DE TRANSMISSAO E MONITORAR DESEMPENHO DE SISTEMA DE ACIONAMENTO DE CORREIA.<D> Um aparelho e método com a capacidade de monitorar correias sem fim e sistema de acionamento de correia por sensores sem contato para desgaste ou função anormal, determinando o estado do sistema de acionamento da correia e detectando estados antecipados da correia e falha do sistema. Uma unidade de sensor apresentando um ou alguns elementos sensores independentes é posicionada adjacente à ou nas proximidades da correia, monitorando, assim, alguns modos normais de operação da correia que ocorrem simultaneamente. O sensor pode determinar a sonoridade da unidade de tempo completa pelo processamento do sinal coletado e detecção de dano estrutural. Os dados coletados são processados por um microcontrolador integrado com o sensor. O aparelho e método para monitorar correias sem fim em relação a desgaste ou função anormal usa uma disposição de capacitores sem contato compreendendo um ou alguns elementos sensores posicionados adjacentes ou próximos à correia e conectado ao circuito elétrico que é particularmente adequado para detectar a mudança de capacitância dinâmica acoplada com efeitos eletrocapacitivos e piezoelétricos exibidos pela correia. Oaparelho é ainda capaz de monitorar componentes de acionamento relacionados à correia pela detecção de se a correia é afetada pela função anormal dos componentes relacionados. O sensor monitora continuamente a correia durante a operação normal do acionador de correia. O sensor é particularmente adaptado para detectar as correias em uso em aplicações de workshop, industriais, automotivas e apresentam uma matriz polimérica com núcleo suportando carga de corda de fibra.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para: "APARELHOE MÉTODO PARA DETECTAR DESGASTE DE CORREIA DE TRANSMISSÃO EMONITORAR DESEMPENHO DE SISTEMA DE ACIONAMENTO DE CORREIA".

Antecedentes da invenção.

No domínio da transmissão de potência, correias detransmissão são o meio preferido para acoplar elementos derotação. Eles são tradicionalmente divididos em duascategorias gerais: acionadores de correias síncronos e nãosíncronos. Nos veículos, ambas as categorias são usadasextensivamente. Acionadores não-síncronos são os meiospreferidos para acionar acessórios, como bombas de água,compressores de ar-condicionado, bombas de direçãohidráulica e unidades alternadoras. Acionadores síncronos,comumente referido como unidades de tempo, têm sido o meiopreferível para acionar sistemas de eixo transmissor desuspenso e são amplamente utilizados em motores decombustão interna, onde a sincronicidade de um componentede acionamento é necessária. Um exemplo deste tipo deunidade é mostrado na figura 1.

Correias dentadas são tipicamente um tecido compostode fibra de vidro, tecido de tela, borracha e outrospolímeros diferentes. Todos estes materiais exibempropriedades piezoelétricas: eles são capazes de gerarcargas elétricas, enquanto eles estão sendo deformados. Emcondições normais, a correia é deformada pelas forças detensão e por forças de flexão à medida que a correia estácorrendo sobre rodas dentadas e polias. Estas deformaçõesgerar cargas. Devido à resistência relativamente elevadados materiais da correia, cargas existem tempo suficientepara serem detectadas. As cargas elétricas geradas pelosefeitos piezelétricos são proporcionais à tensão. Estapropriedade tem sido usada com sucesso em transdutores deforça e acelerômetros.

A invenção aqui descrita é adaptada para os dois tiposde unidades, mas é particularmente adequada para asunidades de tempo. Correias são mais econômicas, menoscomplexas e mais eficientes do que os outros meios em uso,viz. corrente ou acionadores de engrenagem. A desvantagemprincipal com correia é a dificuldade de determinar a suavida ou o ponto da vida do veiculo em que a correia poderiafalhar. Até hoje, a inspeção visual é a única maneira deverificar o estado de uma correia de transmissão e seuscomponentes relacionados. No entanto, este é um processomuito complicado e pouco prático. Unidades de tempo, devidoà sua vulnerabilidade aos contaminantes, operam normalmenteencapsuladas, e para remover o invólucro antes da inspeçãovisual é geralmente um processo de trabalho muito intenso.

Também, dano à correia e a outros componentes não é sempreaparente ao olho, e uma inspeção visual pode revelar-seineficaz. Além disso, a falta de uma correia faz com que oveiculo ou a unidade para se torne inoperante e, devido ànatureza dos motores de combustão modernos, com suas altastaxas de compressão, uma correia ruim geralmente nãoprovoca danos extensos ao motor afetado uma vez que a falhaimplica de-sincronicidade e um risco de que o trem deválvulas e pistões colidam.

Apesar de as correias dentadas terem evoluídoconsideravelmente com o uso de melhores materiais egeometria do dente reforçada, a evolução estrutural nãoresolveu o problema da expectativa de vida dos sistemas deacionamento de tempo completo. A incerteza da expectativade vida do acionamento da correia em conjugação com o custode reparo elevado e conseqüente insatisfação dos clientestêm obrigado os fabricantes de motores a calcular commargens de segurança considerável ao projetar e usar essasunidades. Como resultado, as correias são fabricadasconsideravelmente maiores do que o necessário, e aquilometragem recomendada para uma mudança da correia estácautelosamente baixa. A incerteza sobre a vida de serviçoda correia tem forçado os fabricantes de motores edesenhistas de unidade de tempo a considerar a voltar ausar correntes ao invés de usar correias. A tendência nomercado para motores livres de manutenção temparticularmente reforçado tais considerações. Ainda assim,os fabricantes de motores estão muito relutantes em usarcorrentes e durante muitos anos, tentaram resolver esteenigma, por qualquer meio possível.

A técnica anterior mostra uma atividade intensa commuitas invenções propondo resolver o problema. As inúmerasidéias apresentadas não resolverem o problema e não são, emgrande medida, práticas para a industrialização. Um númerode soluções não tem atraído os investidores, porque elasnão são suficientes para justificar o custo adicional oudesafios do projeto envolvido. Esta é uma categoria desoluções que exige mudanças de projeto para a correia. Osdocumentos U. S. N 6,181,239 e U. S. 6,523,400reivindicam uma solução em que o desgaste da correia seriadetectado por quebra ou indutância ou capacitância alteradade um fio implantado na correia ou estrutura metálica. Paraqualquer pessoa competente na técnica de fazer correia,essa solução é inviável. Estruturas metálicas implantadasem uma correia significariam uma tremenda partida dametodologia de produção e introduzem uma enorme incertezaquanto ao impacto de tal estrutura metálica sobre adurabilidade geral da correia. Fabricantes de correiatendem a ter uma abordagem muito conservadora para qualquermudança de projeto, tornando a implementação de soluçõesdesse tipo muito duvidosa. Além disso, o custo associadocom essa empreitada faria o produto excessivamente caro.Outra deficiência é que essa solução só funcionará com umacorreia de OEM instalado. No mercado de auto-peças,correias empregadas com um acionador de motor particular,são freqüentemente fabricados por diversos fabricantes.Muitas vezes, correias utilizadas para o serviço vêem de umfabricante diferente do que a correia instalada pelo OEM(original equipment manufacturer - Fabricante doequipamento original).

Também é reconhecido que as invenções baseadas emdispositivos sensores mecânicos, fotoelétricos ou paraligar / desligar, dos quais são exemplos típicos osdocumentos No. 6,569,046, que reivindica o uso de umcomutador óptico ou mecânico para responder ao rastreamentolateral de uma correia usada, e US No. 4, 626, 230, quereivindica o uso de comutadores, para a detecção de umdente defeituoso ou cog, todos perto do alvo. Estesdispositivos são vulneráveis a contaminantes e propensos adar alarmes falsos ou a tornarem-se não confiáveis, àmedida que eles ficam latentes e são acionados em açãosomente após a correia guardada ter sido danificada. Alémdisso, é impossível controlar esses dispositivos para afunção uma vez que a entrada exigida não pode ser simulada.

Devido à probabilidade de um falso alarme, eles têm que sercalibrados para responder aos graves distúrbios no sistema,como os que ocorrem quando a correia já estásignificativamente danificada. Isso dá pouco ou nenhumaviso ao condutor.

Sumário da invenção.

A presente invenção para a detecção do desgaste edanos a correias de acionamento por meio sem contatooferece uma melhoria significativa em relação àquelasdescritas na técnica anterior, pois proporciona meios paramonitorar o desempenho da unidade por detecção de quaisquerefeitos ou insumos prejudiciais à correia, bem comoqualquer dano físico ou estrutural para a correia. Paraqualquer pessoa qualificada neste domínio, é aparente queas correias utilizadas em sistemas de tempo mostrados nafigura 1 são tão duráveis como correntes, desde que elasoperam em condições ideais, sem valores de entradaanônimos. A grande maioria dos casos, quando a correiafalha prematuramente é devido a anomalias, tais como após acorreia ter sido submetida a um comportamento deficientedos componentes ligados a ela, ou contaminada por fluidos,como óleo, líquido de arrefecimento e outros agentescomumente usados em motores e máquinas industriais, ouexpostos à sujeira externa, como poeira, gelo, água elascas de pedras penetrando em um invólucro furado. Por suanatureza, a invenção pode ser usada para monitorar umacorreia de acionamento contra a ocorrência de tais efeitosanômalos. Um beneficio adicional obtido a partir de umaaplicação imediata da invenção em unidades de correia semrequerer alterações de projeto, em oposição às invençõesdescritas na técnica anterior. A invenção oferece umsistema confiável para determinar o tempo de vida de umacionamento de correia e permite que a equipe de designadote uma série de estratégias sobre como melhorar aqualidade geral do sistema.

Em uma nova correia com força uniforme, cargaspiezoelétricas são uniformemente distribuídas. 0 novosensor é sensível à mudança de densidade de carga e,portanto, não tem uma grande variação no sinal de saída.

Quando a correia está desgasta para uso, algumas partes dacorreia tornam-se mais fracas e quando carregadas durante ofuncionamento do motor apresentarão uma tensão maior dedeformação que, por sua vez, irá causar um maior efeitopiezoelétrico maior nesta área correia da correia e umamaior densidade de carga local. Este novo sensor detecta amaior carga local, resultando em aumento da amplitude dosinal. Assim, quanto maior a amplitude do sinal, mais fracaa correia. O sensor também detecta a mudança nacapacitância que é o resultado da mudança dinâmica daspropriedades dielétricas da correia.

A invenção apresenta um sensor sem contato que éacoplado a uma MPU (unidade de microprocessamento). 0sensor funciona por meio de um ou vários elementos sensorescapacitivos acoplados em um circuito e projetados para umamudança em permissividade ou mudança na capacitância. 0sensor também sente a capacitância eletrostática queresulta do efeito piezoelétrico que a correia provoca àmedida que o material estrutural tensionado da correiapassa pelos elementos sensores capacitivos durante aoperação normal do sistema. As propriedades piezoelétricasda correia geram uma carga ou acúmulo de eletricidade quaseestática quase na correia durante a operação do acionadorde correia que é proporcional à deformação que a correiaestá sujeita. O efeito pode ser utilizado como um indicadorde enfraquecimento da correia à medida que uma seção dacorreia enfraquecida terá uma maior deformação e, portanto,gera uma carga mais elevada que se traduz em um maior nivelde sinal do sensor. Os elementos sensores são colocados detal forma a gerar respostas de sinais que correspondem aosprincipais recursos da correia, e nomeadamente os modoschave que a correia e o acionador de correia exibem durantea operação. Modos típicos detectados são: assinatura decorreia básica, vibração de intervalo das freqüênciasnaturais e articulada, RPM instantânea derivada do dente dacorreia e eventos de sinal de revolução por um. Adeterioração da correia que resulta em danos normalmentecomeça em um lugar na correia, e o sensor irá detectar istoe gerar um evento de sinal de revolução de correia por um,a seguir designado OPRSE.

A contaminação causará uma mudança permanente ou semi-permanente na constante dielétrica e / ou a capacitânciaeletrostática e o comportamento piezoelétrico da correia,que será registrada por qualquer um dos elementos sensorese resulta em uma mudança geral no limiar do sinal. Falhaincipiente de qualquer um dos componentes acoplados irácausar uma mudança na tensão da correia. A mudança natensão irá causar uma mudança na assinatura vibracional queas extensões da correia voltarão a exibir durante aoperação normal. Além disso, a assinatura de torção doacionador da correia também vai mudar. É evidente paraqualquer pessoa competente na técnica de acionadores decorreia que as mudanças na assinatura podem ser diretamenteassociadas a um aumento quantitativo ou diminuição datensão da correia. O sinal derivado do circuito de detecçãopode ser processado por qualquer número de metodologias deprocessamento de sinais. O sinal analógico pode ser aindacondicionado e acoplado a qualquer dispositivo capaz derecolher dados e analisar sinais. No entanto, a invenção émelhor realizada como um dispositivo autônomo, onde o sinalanalógico é analisado por um algoritmo DSP (digital signalprocessing) executado por uma estrutura no sensorincorporando MPU (unidade de microprocessamento) . Os dadosresultantes são armazenados a bordo da estrutura desensores e, dependendo da estratégia do usuário final,esses dados podem ser analisados por um algoritmo em um PLCexterno (Controlador Lógico Programável) ou no controladordo veiculo ou podem ser armazenados para a transmissão parauma base de dados central.

Esta funcionalidade irá apresentar os usuários dacorreia (OEMs), com inúmeros benefícios, tais como:possibilidade de uma abordagem não-linear de intervalos deserviço, ou seja, o veículo sinalizaria quando a correia oucomponentes de outra unidade de tempo precisam seratendidos vs como antes, ao atingir uma quilometragem pré-determinada (particularmente benéfico para os veículossujeitos a ciclos extremos, como resgate, veículospoliciais ou táxi). Detectar os primeiros sinais de falhasdo acionador antes de graves danos ou perda de funçãopoderem ocorrer proporciona grande economia de custos,especialmente se uma falha ocorresse durante um período degarantia. Com base nos dados recolhidos, os usuáriospoderiam gerar respostas pró-ativa, viz. Emissão deboletins de serviço. Com base nos dados recolhidos, osusuários poderiam gerar know-how sobre o que constitui avida útil de uma unidade de tempo e como projetar melhoresunidades. As correias poderiam ser mais estreitas, poupandoassim milímetros em um espaço onde as economias contam.Empregada como uma ferramenta de marketing, a invençãopoderá reduzir ou eliminar a atual mentalidade queacionadores de correia não são confiáveis, dando aosusuários finais do veículo paz de espírito. Os benefíciosacima mencionados são também diretamente aplicáveis aossistemas de acionamento de correia industriais.Descrição detalhada e Concretizações Preferidas.

A invenção é melhor compreendida a partir da seguintedescrição detalhada e modalidades preferidas, em conjugaçãocom os seguintes desenhos.Breve Descrição dos Desenhos.

A figura 1 mostra uma vista de elevação de uma unidadede correia com uma posição adequada do dispositivo dedetecção.

A figura 2 mostra uma vista transversal do dispositivode detecção e estrutura da correia adjacente.A figura 3 mostra uma vista transversal de umaestrutura de correia típica.

A figura 4 mostra uma vista lateral de uma estruturade correia típica.

A figura 5 mostra uma vista de elevação de uma correiaque representa um modo de falha quando uma correia típicaestá mostrando cabo de fibra exposta e deficiênciasestruturais típicas.

A figura 6 mostra a vista lateral de uma correiarepresentando a falha de uma estrutura de dente de correiaindividual.

A figura 7 mostra uma vista de elevação de uma unidadede correia representando os modos típicos de vibração noespaço da correia entre dois componentes.

A figura 8 mostra uma vista transversal de umaestrutura de correia típica mostrando o posicionamentopreferido perpendicular de um elemento sensor.

A figura 9 mostra uma vista lateral de uma correiarepresentando o posicionamento preferido perpendicular deum elemento sensor.

A figura 10 mostra uma vista transversal de umaestrutura de correia típica mostrando o posicionamentopreferencial paralelo de um elemento sensor.A figura 11 mostra uma vista lateral de uma correiarepresentando o posicionamento preferencial paralelo de umelemento sensor.

A figura 12 mostra uma vista transversal de umaestrutura de correia típica mostrando o posicionamentohorizontal preferencial de um elemento sensor.

A figura 13 mostra uma vista lateral de uma correiarepresentando o posicionamento horizontal preferencial deum elemento sensor.

A figural4 é uma vista de elevação mostrando um métodode construção preferencial de um elemento sensor.

A figura 15 é uma vista de elevação mostrando ummétodo de construção preferencial de um elemento sensor.

A figura 16 é uma vista de elevação mostrando ummétodo de construção preferencial de um elemento sensor.

A figura 17 é uma vista de elevação mostrando ummétodo de construção preferencial de um elemento sensor.

A figura 18 é uma vista de elevação mostrando umelemento sensor preferido.

A figura 19 mostra uma elevação de uma porção de umaunidade de tempo típica com uma concretização preferidailustrada de um dispositivo sensor completo.

A figura 20 mostra uma vista auxiliar do mesmodispositivo de detecção como na figura 19.A figura 21 mostra uma vista de seção de uma correiarepresentando uma posição preferida dos elementos sensoresescolha e como os elementos estão ligados ao circuitoeletrônico.

A figura 22 mostra um diagrama de blocos que descreveo percurso do sinal através das componentes principais dodispositivo de detecção e comunicação com dispositivosexternos ao sensor.

A figura 23 mostra um sinal gerado a uma vibração deespaço de 55 Hz.

A figura 24 mostra um espectro do sinal na figura 23.

A figura 25 mostra o sinal gerado a uma vibração deespaço de 30 Hz.

A figura 26 mostra um espectro do sinal na figura 25.

A figura 27 mostra um sinal selecionando um evento porrevolução.

A figura 28 mostra um sinal de pulsos de dentes dacorreia.

A figura 29 mostra uma vista lateral de uma correiarepresentando uma seção transversal de um elemento sensor.

A figura 30 mostra uma vista lateral de uma correiarepresentando o posicionamento preferido perpendicular dedois elementos sensores utilizando cancelamento do sinal.A figura 31 mostra um sinal de pulsos de dentes dacorreia e um efeito da contaminação da correia.

Descrição das Modalidades Preferidas.

A invenção apresenta um dispositivo sensor e umametodologia de análise de sinais particularmente adequadapara indicar a condição operacional de um acionador decorreia e prever quando a correia e / ou seus componentesrelacionados devem ser substituídos para evitar uma falhana unidade. Além disso, a invenção apresenta circuitoeletrônico 51 e elementos sensores 36, como mostrado nafigura 22 que operam por meio capacitivos acoplados com aspropriedades piezoelétricas e eletrocapacitivas pararecolher dados de sinal sem tocar a correia. Os elementossensores 36 são capazes de sentir a correia através de umaestrutura estática, viz. uma embalagem de correia. Anatureza da detecção torna particularmente bem adaptada àdetecção de eventos harmônicos dinâmicos e transitórios dapassagem da correia. O circuito eletrônico pode serrealizado em um número de maneiras por qualquer pessoacompetente na técnica de circuitos de detecção capacitivos,eletrocapacitivos e piezoelétricos. A publicação CapacitiveSensors Design and Applications, de Larry K Baxter, IEEE,Piscataway, NJ, é uma excelente fonte de exemplos de taiscircuitos. Uma nova abordagem para a utilização detransistores MOS (metal oxide semiconductor) descritosnesta publicação é preferível, por causa da facilidade comque os elementos podem ser integrados em circuitos desinais mistos, mas em termos desta invenção, quaisquercircuitos de detecção capacitivos com propriedadesadequadas podem ser empregados. Esta parte do circuito édenominada circuito analógico 51. Os elementos sensoresacoplados nos circuitos analógicos são dispostos ao redorda estrutura de correia direcionada para melhor gerar aentrada de sinal desejada. Os elementos sensores 51 sãoconstituídos de dois eletrodos colocados adjacentemente quecriam uma capacitância definida e projetam um campocapacitivo. Os eletrodos são orientados em direção ao alvode correia de tal maneira que a correia que altera aspropriedades dielétricas irá afetar o campo capacitivo, detal forma a provocar uma mudança na capacitância doseletrodos, o que é detectado pelo circuito analógicoacoplado 51. Os elementos sensores também detectam a cargaeletrocapacitiva acumulada na correia que é o resultado daspropriedades dos materiais piezoelétricos do material dacorreia composto por meio de acoplamento indutivo.

Um elemento sensor 36 colocado em toda a estrutura dacorreia, como mostrado nas figuras 8 e 9, causará umaresposta de sinal que é especial para a estrutura dosdentes que passa 21. A resposta do sinal do elemento émostrada na figura 28 em que a distância 80corresponde àaltura do dente da correia 17.

Em termos de invenção, dois ou mais elementos sensores36, 38 colocados como mostrado nas figuras 8, 9 e na figura13 espaçados por um múltiplo do passo de dente da correia16 terá o efeito de aumentar a resposta do sinal dos dentesde passagem.

Um elemento sensor 37, orientado longitudinalmente nadireção principal do movimento da correia como mostrado nasfiguras 19 e 20, irá predominantemente causar uma respostade sinal que é especial para o movimento lateral 27, comomostrado na figura 7 do espaço da correia 14. O movimentolateral, normalmente, é o resultado da vibração de espaçonatural ou induzida. A figura 23 mostra uma resposta desinal tipica de uma vibração de espaço natural 27 mostradona figura 7 com o período de oscilação 84 e amplitude 73. Afigura 24 mostra um espectro de freqüência desse sinal,onde 74 indica a freqüência natural 71 do espaço de correia14. Um elemento sensor 37 com um comprimento equivalente atrês ou mais passos dos dentes da correia 16 é impermeávelà passagem dos dentes da correia e, portanto, atuam como umfiltro para sinais de articulação gerados pelo dente dacorreia. O elemento sensor só detecta freqüênciasrelacionadas com a articulação detectada 70 se presente nomovimento lateral 26 do espaço de correia 14.

Um sensor composto de vários elementos sensores 36, 37e 38, como mostrado na figura 21, está ligado ao circuitoanalógico 51 usando um comutador de multiplexação 50. Ocomutador de multiplexação é controlado pelo MPU 53mostrado na figura 22 e torna possível amostrar o sinal decada elemento sensor 36, 37 e 38, individualmente,coletivamente ou em qualquer combinação exigida pelaestratégia de DSP empregada.

Um acoplamento de elementos sensores 36 sãoposicionados no lado oposto ou do mesmo lado da correia,como mostrado na figura 30, de acordo com um arranjodistintivo que são espaçados por um incremento de meiopasso de correia 45 e, consequentemente, um estáenfrentando uma ponta do dente, enquanto o outro está aenfrentando uma raiz. Esta configuração de elemento sensorproduz uma redução significativa na resposta do sinaldevido à passagem do dente da correia 20 pela natureza dossinais 46, 47 cancelando uns aos outros 81, como mostradona figura 30, onde o diagrama 81 ilustra este cancelamento.Isso é particularmente útil quando o sensor é feito paraprocurar um OPRSE (evento de sinal por uma revolução) ouquando procura dano estrutural interno viz enfraquecimentoda correia. 0 OPRSE aparece quando o dano devido àdeficiência estrutural ou deterioração da correia 17 édetectado. Na maioria dos casos, o dano à correia teráinicio em um ponto e, no curso da operação adicional vai seespalhar, causando uma falha de correia total. Um OPRSE éuma indicação de que a correia 17 está falhando e deve serimediatamente substituída. A figura 5 mostra dois tipos dedanos à correia normalmente indicados por um OPRSE: umaruptura do cordão incipiente 22 e uma deficiência depolímero 23. A figura 6 mostra os danos à correia 17 devidoà estrutura dentária deficiente 24 ou dentes rachados 25.Esses tipos de danos irão aparecer em um rastreamento desinal como um evento de sinal claramente perceptível. Umexemplo de tal rastreamento de sinal é mostrado na figura27, onde o pico de sinal 79 representa o referido OPRSE emum ponto específico sobre a correia, enquanto a distância78 representa uma revolução de correia completa atrás doselementos sensores. Os picos de sinal 79 podem serresumidos ao longo de vários ciclos antes ou depois dacomparação com um nível limite para evitar sinais dispersose falsos alertas .

Se uma correia 17 utilizada em uma unidade, comomostrado na figura 1, torna-se contaminada com líquidos,como óleo, líquido de arrefecimento do motor ou qualquercontaminante fluido que vai deixar um resíduo na correia,causando uma mudança suficiente em sua dielétrica e / oupropriedades eletrocapacitivas, o conjunto do sensor irádetectar a presença de fluidos e registrar uma mudança nolimiar do sinal global como mostrado na figura 31, onde areferência 82 indica o nível do sinal medido antes decontaminação e a referência 83 indica o nível do sinalmedido após a contaminação.

A figura 1 mostra uma das principais aplicações para ainvenção como um dispositivo de monitorização paraacionadores de correia comumente usados para manter asincronicidade de carnes em motores de combustão interna ecomumente referido como unidades de tempo. No acionamentoda correia, o novo sensor 30 é colocado junto ao eixo daroda dentada 7. Nesta posição, o sensor 30 é melhorequipado para acompanhar o acionamento e detectar qualqueranomalia no correia 17, bem como detectar danos na correia.Como o sensor 30 opera 30 por meios sem contato, ele éespaçado, como mostrado na figura 2 com folgas suficientes34 e 35 de forma a não interferir com a estrutura dacorreia em movimento 17. O sensor 30 tem todos os elementossensores 36, 37, 38 e eletrônicos incorporados na suaestrutura, como mostrado pela linha tracejada na figura 22,que permite que o sensor funcione de forma autônoma. Osensor 30 está ligado ao controlador do motor do veiculo epode funcionar como um escravo normalmente praticado para ocontrolador de motor de veiculo master 58 e se comunicarcom o controlador através de fio 31 ou antena wireless 32.O caminho do sinal é o seguinte: elemento de detecção 36detecta a correia 17 por meio do campo elétrico 72. Oelemento 36 é acoplado ao circuito analógico 51 por meiosde multiplexação 50 mostrados na figura 21. O circuito geraum sinal analógico 61 que é convertido em um fluxo de dadosdigitais por um conversor A/S 52 e é armazenado em umaunidade de micro-processamento MPU 53. A MPU 53 executa oprocessamento digital de sinais DSP através de um algoritmoincorporado. Um DSP adequado é bem conhecido por qualquerpessoa competente na técnica de análise de sinal digital.

O conjunto de sensores 30 pode operar como uma unidadeautônoma com uma fonte de energia de bateria embutida quepermite a operação independente da fonte de alimentação doveiculo. Esta opção é particularmente adequada paraaplicações de auto-peças.

Os eletrônicos incorporados no conjunto de sensores 30comunicam-se com o veiculo, seja através de um fio ou semfio, usando um protocolo de comunicação serial automotivo,por exemplo, LIN (Local Interconnect Network) e CAN(Controller Area Network) 57, ou derivados de taisprotocolos (figura 22).

Os eletrônicos incorporados no conjunto de sensores 30têm incorporados um microcontrolador MPU 53, que é pré-programado com um algoritmo capaz de tomar decisõesindependentes com base no sinal detectado se uma falha nacorreia ou na unidade é iminente. O conjunto de sensores 30pode ser utilizado como uma ferramenta de monitoramento desistema, em que o sensor pode, periodicamente, ou a pedido,transmitir parâmetros de desempenho da unidade de tempoarmazenados, tal como a tensão do correia ou assinatura detorção do eixo, para o controlador do veiculo ECU 58. Oparâmetro de desempenho pode ser transmitido sem fio aofabricante do veiculo, se o veiculo está equipado comuplink de comunicação ou transferido para a manutençãonormalmente prevista para uma base de dados de veiculo OEM59.

Os elementos sensores podem ser fabricados em muitosaspectos, sob a condição de que o comprimento de detecçãodesejado e o valor da capacidade é alcançado, além deajustar a área de superfície dos elementos, que determina asensibilidade do elemento sensor para efeitoseletrocapacitivos. O elemento sensor básico é composto deduas estruturas metálicas que são espaçadas com umadistância predisposta por um componente dielétrico. Afigura 14 mostra um elemento sensor composto por duasfaixas paralelas de cobre 40 e 41 que foram gravadas em umaPCB (placa de circuito impresso) 39 usando métodos defabricação padrão da indústria de circuitos impressoseletrônicos. A figura 15 mostra como faixa de cobre 40rodeada por faixa de cobre 41 com a forma de um U aumenta acapacitância elemento sensor, mantendo uma pegada pequena.A figura 16 mostra duas faixas de cobre 40 e 41 com a formade uma ferradura. A figura 17 mostra uma outra maneira defazer um elemento sensor por meio de torção dos dois fios40 e 41 cada coberto por um dielétrico. A espessura dacobertura de fio delimita a distância entre os dois fiosque constituem os eletrodos. A figura 29 mostra duas placasmetálicas ou tiras 42 soldadas de lados opostos de ummaterial dielétrico, onde a distância entre elas éequivalente à metade ou o passo do dente da correia 16 dacorreia alvo 17. A estrutura do elemento sensor é adequadapara detectar a estrutura dentária da correia passante.Concretizações Preferidas do Método

Os elementos sensores de 36, 37 e 38, ligados acircuitos analógicos 51, liberam um sinal analógicoalternado continuamente modulado como mostrado na figura28.O sinal é convertido para um sinal binário etransferido para a unidade de armazenamento e cálculo MPU53 acoplada ao circuito analógico 51. Baseando-se no sinal,um algoritmo DSP incorporado calcula a velocidadeinstantânea de acionamento da correia.

O elemento de detecção 37 ligado aos circuitosanalógicos 51 libera um sinal alternado analógicocontinuamente modulado como mostrado nas figuras 23 e 25. Osinal é convertido para um sinal binário e transferido paraa unidade de armazenamento e cálculo MPU 53 acoplada aoscircuitos analógicos 51. Baseado no referido sinal, a MPU53 com o algoritmo DSP incorporado calcula uma freqüêncianatural 74 do espaço da correia especial, de que o elementosensor é adjacente. Para qualquer pessoa competente natécnica de unidade de correia, a freqüência calculada 74pode ser correlacionada com o nivel de tensão no espaço dacorreia. Uma mudança na freqüência 76, como mostrado nafigura 26 é, portanto, indicativo de uma mudança na tensãoda correia. O monitoramento da freqüência fornece meiospara detectar se o nível de tensão da correia foi deslocadapara fora dos limites operacionais predeterminados. Alémdisso, se o sinal mostrado na figura 25 exibe conteúdo defreqüências adicionais, como na parte fechada 77, o sinal éindicativo de um movimento do espaço da correiaadicionalmente induzido. O componente de freqüência écomumente associado à correia dentada e ao acoplamento dodente 26 e será idêntico à freqüência do sinal medido dosdentes da correia passante 20. Este fenômeno é agravado poruma incompatibilidade no referido acoplamento 2 6 comoresultado da tensão da correia incorreta aplicada àestrutura da correia. Outra parte do MPU 53 incorporada aoalgoritmo DSP foi concebida para monitorar a ocorrência e amagnitude da referida freqüência e para comparar o referidosinal com limites operacionais predeterminados. No caso emque os limites de sinal devem ultrapassar os limitesoperacionais, a MPU 53 incorporada com algoritmo gera umalarme de acionamento de correia defeituoso.

0 sinal gerado pelos dentes passantes 20 é utilizadono cálculo (DSP) do ângulo de fase de torção do carne. Osdados são compilados como a assinatura de torção da unidadee podem ser usados para diagnosticar a alteração dascondições operacionais da unidade de correia .

A MPU 53 embutida no sensor 30 tem um algoritmo DSPincorporado, que monitora os sinais provenientes doselementos sensores 36, 37, 38 e 42 e determina se a correiaalvo 17 ou o acionador de correia apresentam comportamentooperacional que é propicio à falha da correia 17 ou doacionador de correia. Em caso de falha iminente, oalgoritmo gera um código de falha que pode ser usado paranotificar o condutor / operador de que o veiculo deve serprontamente atendido, ou o código de falha pode sertransmitido para o fabricante de equipamento original doveiculo ou prestador de serviços para ações futuras.

O sensor 30 está ligado à cablagem do veiculo atravésde um conector 33. O algoritmo embarcado comunica-seatravés da cablagem com a ECU do veiculo (unidade decontrole do motor), utilizando um protocolo de comunicaçãode rede digital LIN / CAN 57.

Claims (19)

1. Método para determinar a condição física eestrutural que se desloca um cinto de fibra e polímerocompósito em condições normais de operação caracterizadopelo fato de que compreende:detecção de propriedades eletrocapacitivas edielétrica instantâneas e dinâmicas de uma porção do cintoà medida que a porção de cinto se move por um dispositivode detecção capacitivo para produzir sinais de capacitânciainstantâneos e dinâmicos;separar o sinais de capacitância instantâneos edinâmicos produzidos por pelo menos um elemento de detecçãoa partir de quaisquer sinais de capacitância estáticossimultaneamente presentes,comparar os sinais de capacitância instantâneos edinâmicos com um nível limite de sinal de capacitânciadinâmico; eem resposta a uma violação do nível limite do sinal decapacitância dinâmico pelos sinais de capacitânciainstantâneos e dinâmicos, acionar um sinal de saída.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que o sinais de capacitânciainstantâneos e dinâmicos que ultrapassam o nível limite dosinal de capacitância dinâmica são somados ao longo de umdeterminado período de tempo antes de acionar o sinal desaída.

3. Método, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que o sinal de saída é um sinalde alerta.

4. Dispositivo de detecção de capacitânciacaracterizado pelo fato de que inclui pelo menos umelemento de detecção adaptado para uma localização de umcinto de fibras e polímeros compósitos que se movenormalmente, o referido elemento de detecção adaptado paraproduzir um sinal elétrico de carregamento cíclico emresposta a mudanças dinâmicas nas propriedades dielétricasdo cinto à medida que este se move após o dispositivo dedetecção; e meio computacional elétrico incluindo, pelomenos, um conversor analógico para digital, ummicroprocessador e meio para fornecer um sinal de saída emresposta a uma violação cíclica de um nível limite demudança dinâmica no dielétrico do cinto.

5. Dispositivo de detecção de capacitância, de acordocom a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que umapluralidade de elementos de detecção são agrupados acima eem pelo menos um dos lados do cinto.

6. Dispositivo de detecção de capacitância, de acordocom a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que umapluralidade de elementos de detecção são espaçadosadjacente ao cinto em locais ao longo da direção domovimento do cinto.

7. Dispositivo de detecção de capacitância, de acordocom a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que osinal de saida é um alerta.

8. Método para determinar a condição fisica de umcinto de fibra e polímero compósito em condições normais deoperação caracterizado pelo fato de que inclui:detecção do campo eletrostático instantâneo e dinâmicode uma porção do cinto à medida que a porção de cinto semove por um dispositivo de detecção para produzir sinaisinstantâneos e dinâmicos;separar o sinais instantâneos e dinâmicos produzidospor pelo menos um elemento de detecção de quaisquer sinaisestáticos simultaneamente presentes,comparar os sinais instantâneos e dinâmicos com umnível limite de sinal dinâmico; eem resposta a uma violação do nível limite do sinaldinâmico pelos sinais instantâneos e dinâmicos, acionar umsinal de saída.

9. Método, de acordo com a reivindicação 8,caracterizado pelo fato de que o sinais instantâneos edinâmicos que violam o nível limiar de sinais dinâmicos sãosomados ao longo de um determinado período de tempo antesde acionar o sinal de saída.

10. Método, de acordo com a reivindicação 8,caracterizado pelo fato de que o sinal de saída é um sinalalerta.

11. Dispositivo de detecção caracterizado pelo fato deque inclui pelo menos um elemento detector adaptado parauma localização de um cinto de fibras e polímeroscompósitos que se move normalmente, o referido elemento dedetecção adaptado para produzir um sinal elétrico decarregamento cíclico em resposta a mudanças dinâmicas nocampo eletrostático do cinto à medida que este se move apóso dispositivo de detecção; e meio computacional elétricoincluindo, pelo menos, um conversor analógico para digital,um microprocessador e meio para fornecer um sinal de saídaem resposta a uma violação cíclica de um nível limite demudança dinâmica no campo eletrostático do cinto.

12. Dispositivo de detecção, de acordo com areivindicação 12, caracterizado pelo fato de que umapluralidade de elementos de detecção são agrupados acima eem pelo menos um dos lados do cinto.

13. Dispositivo de detecção, de acordo com areivindicação 12, caracterizado pelo fato de que umapluralidade de elementos de detecção são espaçadosadjacente ao cinto em locais ao longo da direção domovimento do cinto.

14. Dispositivo de detecção, de acordo com areivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o sinal desaida é um sinal alerta.

15. Método para determinar a condição física e adeterioração de um cinto de fibra e polímero compósitomóvel em condições normais de operação caracterizado pelofato de que· inclui a detecção da carga elétrica gerada peloacoplamento piezelétrico de uma porção do cinto à medidaque a porção de cinto se move por um dispositivo dedetecção de carga sem contato por meio do qual um sinal éproduzido em resposta à densidade de carga instantânea daporção de cinto.

16. Método, de acordo com a reivindicação 15,caracterizado pelo fato de que o sinal é proporcional àdensidade de carga.

17. Método, de acordo com a reivindicação 15,caracterizado pelo fato de que os sinais produzidos aolongo de um período selecionado que violam um determinadolimiar são somados antes de acionar um sinal de saída.

18. Método, de acordo com a reivindicação 17,caracterizado pelo fato de que o sinal de saída é um sinalalerta.

19. Dispositivo de detecção caracterizado pelo fato deque inclui pelo menos um elemento de detecçãoeletrocondutivo a ser alinhado com a direção de movimentode um cinto, pelo menos um elemento de detecçãoeletrocondutivo sendo perpendicular à direção de movimentodo referido cinto e pelo menos um elemento de detecçãoeletrocondutivo a ser posto em um plano paralelo à direçãode movimento o referido cinto, o referido dispositivo dedetecção configurado para, pelo menos, parcialmentecircunda uma porção do referido cinto que se deslocaatravés do mesmo.