BRPI1013952B1

BRPI1013952B1 - sistema de avaliação sem contato de propriedade de propagação de sinal acústico para cordas sintéticas, e, método para avaliar propriedades de propagação de sinal acústico através de uma corda

Info

Publication number: BRPI1013952B1
Application number: BRPI1013952A
Authority: BR
Inventors: S Padilla Luis; Bull Philip; L Royer Roger Jr; E Owens Steven
Original assignee: Actuant Corp
Priority date: 2009-05-05
Filing date: 2010-05-05
Publication date: 2020-05-05
Also published as: AU2010245947A1; BRPI1013952A2; EP2427758A2; US9255911B2; US20150120215A1; WO2010129701A3; AU2010245947A2; AU2010245947B2; US20120053852A1; PT2427758T; US20160169841A1; CA2760939A1; WO2010129701A2; EP2427758B1; US9568452B2; US8958994B2; SG175889A1; CA2760939C

Abstract

sistema de avaliação sem contato de propriedade de propagação de sinal acústico para cordas sintéticas, e, método para avaliar propriedades de propagação de sinal acústico através de uma corda é descrito um sistema de avaliação sem contato de propriedade de propagação de sinal acústico para cordas que podem ser desdobradas para um número diferentes aplicações, incluindo, mas sem limitações, linhas móveis, por exemplo, guindastes e guinchos e linhas estáticas, por exemplo, linhas de amarração, estais, etc., para avaliar as propriedades físicas das cordas e, em alguns casos, ajudar avaliar a saúde estrutural das cordas. o sistema inclui um primeiro transdutor para gerar ondas ultrassônicas, um segundo transdutor para receber ondas ultrassônicas propagadas transversalmente através da corda, e em torno da mesma, e um processador que executa código legível por computador para determinar propriedades de propagação acústica da corda.

Description

“SISTEMA DE AVALIAÇÃO SEM CONTATO DE PROPRIEDADE DE PROPAGAÇÃO DE SINAL ACÚSTICO PARA CORDAS SINTÉTICAS, E, MÉTODO PARA AVALIAR PROPRIEDADES DE PROPAGAÇÃO DE SINAL ACÚSTICO ATRAVÉS DE UMA CORDA”

CAMPO DA INVENÇÃO [0001] A presente invenção diz respeito a um sistema sem contato para avaliar propriedades de propagação de sinal acústico através de cordas ou cabos sintéticos de alto desempenho. Um sistema como este pode ser usado para avaliação não destrutiva (NDE) e monitoramento da saúde estrutural (SHM) de cordas ou cabos de fibra sintética. Um sistema como este pode ser usado em conjunto com características operacionais específicas da aplicação para estabelecer critérios de exclusão dos cabos ou cordas sintéticos usados nessas aplicações.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO [0002] A natureza leve de cordas de fibra sintética provê muitas vantagens de desempenho e econômicas em relação a cordas de arame metálico. Por exemplo, quando usados em conjunto com polias em aplicações conhecidas como aplicações de dobramento cíclico em polia (CBOS) (por exemplo, guindastes, elevadores, sistemas de compensação de polia e linhas de tração), cordas de fibra sintética permitem o uso de equipamento com uma menor área útil, menos peso e menor consumo de potência do que equipamento similar com corda de arame metálico. Entretanto, independente se o fio de metal ou corda de fibra sintética é usado em uma aplicação particular, é crítico poder avaliar a condição da corda para prover e manter um critério de exclusão para garantir operação segura da corda.

[0003] Um componente crucial e dinâmico usado para determinar e manter um critério de exclusão preciso é a integridade estrutural da corda. A integridade da corda é usada em conjunto com outros componentes incluindo preferências do usuário (por exemplo, troca a 50 % da resistência, etc.) e a

Petição 870190074554, de 02/08/2019, pág. 5/50 / 17 aplicação particular (por exemplo, amarração, guindastes e guinchos, linhas de segurança, etc.) para determinar os critérios de exclusão.

[0004] Inúmeros sistemas e métodos SHM e NDE que medem a integridade estrutural do cabo e corda para determinar os critérios de exclusão de cabos de aço e outros arames metálicos foram desenvolvidos. Entretanto, não existem métodos geralmente aceitos de medir a integridade estrutural de cordas sintéticas e assim a prática geral para determinar critérios de exclusão de cordas de fibra sintética baseia-se em inspeção visual e/ou rastreamento do histórico de uso de cada corda. Inspeções visuais são inerentemente subjetivas e/ou rastreamento pelo histórico de uso podem ser altamente imprecisos, portanto, critérios de exclusão atuais não são baseados em parâmetros expressivos.

[0005] Em resposta às deficiências de supervisão por inspeções visuais e histórico de uso, inúmeros métodos objetivos para SHM e NDE para cordas de fibra sintética têm sido desenvolvidos. Os métodos usam materiais secundários tais como fibras de carbono condutoras e fibras óticas de vidro ou poliméricas entrelaçadas com as fibras sintéticas da corda. Na teoria, os materiais secundários sobrem as mesmas tensões e desgaste das fibras sintéticas. As tensões nos materiais secundários podem ser facilmente medidas e, a partir dessas medições, as tensões e desgaste nas fibras sintéticas são inferidos. Na realidade, em virtude de os materiais serem inerentemente diferentes e por causa da estrutura complicada da corda, as fibras sintéticas podem sofrer tensões e desgaste que os materiais secundários não sofrem. Além disso, os materiais secundários são expostos a tensões apenas nas suas proximidades imediatas e, como tal, elas podem ser seções do cabo nas quais tensões e desgaste não são medidos. Por esses motivos, medições obtidas usando materiais secundários refletem diretamente apenas a integridade dos materiais de avaliação e refletem indiretamente a das fibras sintéticas que constituem o próprio cabo. Além disso, cordas de fibra sintética entrelaçados

Petição 870190074554, de 02/08/2019, pág. 6/50 / 17 com materiais secundários podem ser menos fortes, ter propriedades de abrasão diferentes das esperadas e ser mais difíceis de fabricar do que cordas formadas inteiramente de fibras sintéticas. Por pelo menos esses motivos, métodos para medir a integridade estrutural de cordas com fibras óticas não são amplamente praticados.

[0006] Um outro método de monitorar e avaliar cordas de fibra sintética envolve ondas longitudinais propagadas em um comprimento de corda. Um método como este pode utilizar teoria de propagação de ondas longitudinais tal como descrito por M. Ferreira et al. em Non Destructive Testing of Poliyaramide Cables by Longitudinal Wave Propagation: Study of the Dynamic Modulus, Polymer Engineering and Science, Vol 40, no. 7, july 2000. Este método exige pelo menos um certo contato físico com a corda, já que sondas ou percussores fazem contato direto com a corda para introduzir o sinal acústico. Além disso, para determinar critérios de exclusão significativos com dados de ondas longitudinais, a corda tem que ser mantida sob tensão constante (por exemplo, cabos de elevador, estais de antena, etc.) quando estiver sendo avaliada. Isto limita o uso deste método a aplicações que monitoram o comprimento estacionário da corda. Mesmo assim, vibrações na corda introduzidas pelos dispositivos no ambiente da corda, tais como motores e polias, são coletados pelos transdutores, resultando em medições de onda distorcidas. Uma deficiência adicional deste método é que ele mede todo o comprimento da corda entre o transdutor e o receptor, que são normalmente colocados em cada extremidade da corda. Portanto, a resolução deste sistema é limitada pela distância entre o transdutor e o receptor. Se somente uma pequena parte da corda estiver danificada, o sistema não seria capaz de indicar a localização específica do dano e toda a corda teria que ser considerada suspeito. Uma outra limitação deste método é que ele não pode ser usado em situações onde uma porção da corda é inacessível, tal como uma corda usada em conjunto com um guindaste ao largo onde uma extremidade

Petição 870190074554, de 02/08/2019, pág. 7/50 / 17 poderia estar sob milhares de pés de água.

[0007] Portanto, existe uma necessidade de um sistema que permita monitoramento da saúde estrutural de cordas de fibra sintética de uma maneira que não precisa ter contato direto com a corda, acessos a dois pontos distintos ao longo da corda, ou o uso de materiais secundários, com maior resolução e, além disso, que pode ser usado em uma corda em rápido movimento, e com uma variedade de fibras de corda, e métodos de construção.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO [0008] De acordo com um aspecto da presente invenção, um sistema de avaliação de propriedades de propagação de sinal acústico sem contato para cordas sintéticas inclui um primeiro transdutor sem contato espaçado de um lado de uma corda a ser avaliada. Um primeiro sinal elétrico é gerado por um gerador de sinal. O primeiro transdutor converte o primeiro sinal elétrico do gerador de sinais em um sinal acústico direcionado para a corda. Uma primeira porção do sinal acústico propaga através da corda em uma direção transversal e uma segunda porção do sinal acústico passa em torno do perímetro da corda. Um segundo transdutor é espaçado de um lado oposto da corda e é radialmente alinhado com o primeiro transdutor. O segundo transdutor recebe e converte a primeira e segunda porções do sinal acústico em um segundo sinal elétrico. Um circuito de processamento de sinal recebe e converte o segundo sinal elétrico em um sinal digital. Um processador conectado no circuito de processamento de sinal e executando código legível por computador atribui propriedades do sinal digital às propriedades de propagação acústica da corda que podem então ser usadas para determinar as propriedades físicas da corda.

[0009] O sinal acústico pode ser uma forma de onda ultrassônica e a primeira porção do sinal acústico pode ser uma onda ultrassônica longitudinal. O primeiro e segundo transdutores podem ser fixos no lugar

Petição 870190074554, de 02/08/2019, pág. 8/50 / 17 enquanto a corda move-se em relação ao primeiro e segundo transdutores. Transdutores adicionais podem ser usados no sistema, tal como um terceiro transdutor espaçado da corda e do primeiro transdutor, e um quarto transdutor espaçado da corda e do segundo transdutor. O primeiro transdutor e o segundo transdutor podem ser posicionados em um primeiro local longitudinal da corda, e o terceiro transdutor e o quarto transdutor podem ser posicionados em um segundo local longitudinal da corda. Em algumas modalidades, o primeiro sinal elétrico é tanto uma forma de onda em pulso, quadrada ou senoidal. O código pode adicionalmente prover uma medição da saúde estrutural da corda com base em parte nas propriedades de propagação acústica da corda. O primeiro transdutor e o segundo transdutor podem ser transdutores de base piezoelétricos. Uma primeira folga de ar pode ser disposta entre o primeiro transdutor e a corda, e uma segunda folga de ar pode ser disposta entre o segundo transdutor e a corda.

[00010] De acordo com um outro aspecto da presente invenção, um método de avaliar propriedades de propagação de sinal acústico através de uma corda compreende as etapas de gerar, em um primeiro local espaçado da corda, um sinal acústico; direcionar o sinal acústico em uma direção transversal no sentido de um primeiro local longitudinal da corda, em que, ao colidir na corda uma primeira porção do sinal acústico propaga através da corda e uma segunda porção do sinal acústico passa em torno do perímetro da corda; receber, em um segundo local espaçado da corda, a primeira porção e a segunda porção do sinal acústico; e, analisar a primeira porção e a segunda porção do sinal acústico.

[00011] As etapas de gerar, direcionar, receber e analisar podem ser repetidas em cada um da pluralidade de locais longitudinais ao longo da corda. As etapas de gerar, direcionar, receber e analisar podem ser repetidas no primeiro local longitudinal da corda e a etapa de analisar pode incluir analisar mudanças na primeira porção e na segunda porção do sinal acústico

Petição 870190074554, de 02/08/2019, pág. 9/50 / 17 com o tempo. A etapa de analisar pode incluir determinar a taxa de mudança da primeira porção e da segunda porção do sinal acústico. A etapa de analisar pode incluir comparar a primeira porção e a segunda porção do sinal acústico com dados de referência. A etapa de gerar o sinal acústico pode incluir gerar o sinal acústico usando um primeiro transdutor espaçado da corda. A etapa de receber a primeira porção e a segunda porção do sinal acústico pode incluir receber a primeira porção e a segunda porção do sinal acústico usando um segundo transdutor espaçado da corda oposta ao primeiro transdutor. O método pode compreender adicionalmente a etapa de mover o primeiro transdutor e o segundo transdutor enquanto a corda permanece estacionária. O método pode compreender adicionalmente a etapa de determinar uma medida da saúde estrutural da corda com base, pelo menos em parte, na primeira porção e na segunda porção do sinal acústico. A etapa de direcionar pode incluir direcionar o sinal acústico através de uma folga de água entre o primeiro local e a corda.

[00012] Os objetivos e vantagens expostos da invenção, assim como outros mais, ficarão aparentes a partir da descrição detalhada seguinte. Na descrição, é feita referência aos desenhos anexos que ilustram uma modalidade preferida da invenção.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DOS DESENHOS [00013] A figura 1a mostra uma primeira modalidade exemplar de uma configuração de vários componentes de um sistema de avaliação de propriedades de propagação de sinal acústico sem contato de acordo com a presente invenção.

[00014] A figura 1b mostra uma segunda modalidade exemplar de uma configuração dos vários componentes do sistema de avaliação de propriedades de propagação de sinal acústico sem contato.

[00015] A figura 1c mostra uma terceira modalidade exemplar de uma configuração dos vários componentes do sistema de avaliação de

Petição 870190074554, de 02/08/2019, pág. 10/50 / 17 propriedades de propagação de sinal acústico sem contato.

[00016] A figura 2 ilustra a amplitude dos sinais ultrassônicos propagados através de uma corda de fibra sintética de 0,75 (19,05 mm) de diâmetro em um local específico em função da porcentagem de vida da corda obtida usando a configuração mostrada na figura 1.

[00017] A figura 3 ilustra o tempo de chegada dos sinais ultrassônicos da figura 2 em função da porcentagem de vida da corda.

[00018] A figura 4 ilustra a amplitude dos sinais ultrassônicos propagados através de uma corda de fibra sintética de 0,75 (19,05 mm) de diâmetro em um local específico em função do número de ciclos da corda;

[00019] A figura 5 ilustra o tempo de chegada dos sinais ultrassônicos da figura 4 em função do número de ciclos da corda.

[00020] A figura 6 mostra uma outra configuração do sistema de avaliação de propriedades de propagação de sinal acústico sem contato da figura 1 incluindo múltipos pares de transdutores dispostos angularmente. [00021] A figura 7 mostra uma outra configuração do sistema de avaliação de propriedades de propagação de sinal acústico sem contato da figura 1 incluindo múltiplos pares de transdutores espaçados axialmente.

[00022] A figura 8a mostra uma vista em perspectiva de uma armação que suporta três pares de transdutores espaçados axialmente para monitorar uma corda que passa através do centro da armação.

[00023] A figura 8b mostra uma outra vista em perspectiva da armação da figura 8a.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA MODALIDADE PREFERIDA [00024] Diferente os dispositivos da tecnologia anterior supramencionados que medem ondas ultrassônicas longitudinais ou de cisalhamento que deslocam ao longo do comprimento de uma corda usando sondas ou percursores em contato físico com a corda, a presente invenção baseia-se na geração e medição de sinais acústicos propagando

Petição 870190074554, de 02/08/2019, pág. 11/50 / 17 transversalmente através do eixo longitudinal da corda e transversalmente em torno do perímetro da corda usando dispositivos sem contato.

[00025] Referindo-se inicialmente às figuras 1a-1c, um sistema de avaliação de propriedades de propagação de sinal acústico sem contato 10 de acordo com a presente invenção monitora e avalia uma corda de fibra sintética 12 (ou corda; somente o termo corda é usado a seguir por questão de simplificação) movendo ao longo de um eixo longitudinal 14. O sistema 10 inclui um primeiro par de transdutores 16 operando em um modo de transmissão direta com transdutores alinhados radialmente 18, 20 posicionados em lados opostos da corda 12. O sistema 10 inclui adicionalmente um gerador de sinal e unidade receptora combinados 22 (por exemplo, um gerador de sinal ultrassônico e uma unidade receptora) e um circuito de processamento de sinal 24 (por exemplo, um conversor analógico em digital). O sistema 10 inclui adicionalmente um aplicativo de software operando em um processador 26 (por exemplo, um computador pessoal) para coletar dados de propriedades de propagação de sinal. Em algumas modalidades, o aplicativo de software usa os dados, além de outros parâmetros, para avaliar a saúde estrutural da corda 12.

[00026] Transdutores sem contato adequados incluem transdutores ultrassônicos comercialmente disponíveis. Um transdutor sem contato preferido tem uma área ativa de uma polegada por uma polegada (25,4 x 25,4 mm), uma frequência ressonante de 100-300 kHz, uma frequência nominal de 200 kHz e fica posicionado a um quarto de polegada da corda (6,35 mm) 12. Um transdutor sem contato preferido alternativo tem uma área ativa de quatro polegadas (101,6 mm) por duas polegadas (50,8 mm), uma frequência ressonante de 50 kHz e fica posicionado quatro polegadas da corda. Um gerador, receptor e conversor de sinal adequado inclui um quadro PCI de teste ultrassônico comercialmente disponível montado em um chassis do PC com uma unidade pulsador/receptor de estímulo acústico ultrassônico e conversor

Petição 870190074554, de 02/08/2019, pág. 12/50 / 17 analógico em digital de alta velocidade. Uma unidade pulsador/receptor preferida tem uma saída de onda senoidal ou quadrada pico a pico de 0-300 V, uma frequência de pulso de 6,5 MHz e uma capacidade de ciclos de pulso de 0-15 pulsos. Se for necessária intensidade de sinal adicional para superar o ruído ambiental ou meio sintético altamente atenuante, um amplificador pode ser usado para aumentar a tensão de pulso para 1.200 V. Um conversor analógico em digital preferido tem resolução de amostragem de até 100 MHz. Um aplicativo de software adequado para coletar e extrair dados da corda inclui um pacote de software UTerminal or Utomography comercialmente disponível pela FBS, Inc. of State College, PA. Outros aplicativos de software adequados podem ser programas de aquisição de dados fora de prateleira que podem ser configurados para adquirir e interpretar dados ultrassônicos de acordo com fenômenos conhecidos, tais como encontrados em Ultrasonic Waves in Solid Media 1999 de Joseph L. Rose, cujos conteúdos estão aqui incorporados na íntegra pela referência.

[00027] Nas modalidades descritas no parágrafo anterior, o aplicativo de software que roda no PC 26 dispara a unidade pulsador/receptor 22 para gerar um pulso elétrico que é transmitido ao primeiro transdutor ar-acoplado 18. Alternativamente, um senóide de janela de uma frequência particular pode ser usada. O primeiro transdutor 18 converte o pulso de excitação elétrica em uma onda de energia acústica, isto é, sinal de pulso ultras sônico 28, direcionado para o corda 12. O sinal de pulso ultrassônico 28 desloca através da folga de ar 30 em volta da corda 12, atinge uma superfície traseira 32 e propaga na corda 12.

[00028] Uma grande disparidade de impedância acústica entre a folga de ar 30 e a corda 12 faz com que uma porção do sinal ultrassônico 28 seja refletida na corda 12 e uma outra porção desloque em torno da corda 12. Perdas de sinal são minimizadas reduzindo-se o tamanho da folga de ar 30, usando transdutores focalizados, casando o tamanho do transdutor 18 com a

Petição 870190074554, de 02/08/2019, pág. 13/50 / 17 largura da corda 12, ajustando a frequência ou amplitude de sinal do sinal de pulso 28, e usando hardware de recepção de alta resolução (por exemplo, hardware com uma alta taxa de amostragem, uma alta taxa de digitalização, etc.).

[00029] A porção do sinal ultrassônico 28 que propaga na corda 12 é adicionalmente dividida em várias formas de onda elásticas incluindo ondas de cisalhamento, não ilustradas, que deslocam através da corda 12 ao longo do eixo 14, e ondas superficiais, não ilustradas, que deslocam circunferencialmente ao longo da superfície da corda 12. Parte da energia que desloca em torno da corda não interage com a corda 12 e somente desloca através do ar. Todos esses sinais ultrassônicos, as ondas que deslocam através da corda, na superfície da corda, ou no ar em torno da corda, podem ser recebidos pelo transdutor de recepção 20, gravados e analisados para ajudar na previsão da saúde estrutural da corda 12. Entretanto, de particular interesse é o sinal do pulso 28 que propaga através da corda 12 lateralmente, ou transversal ao eixo longitudinal do cabo 14. Ao chegar a uma superfície distante 34 da corda 12, o sinal do pulso de propagação 28 continua através da folga de ar 24 e é recebido pelo segundo transdutor ar-acoplado de recepção 20.

[00030] O transdutor de recepção 20 é disparado para coletar o sinal ultrassônico 28 pela unidade pulsador/receptor 22 a um intervalo de tempo predeterminado, ou quando a porção da corda 12 de interesse estiver em uma posição particular para permitir medição. Em uma modalidade preferida, noventa e nove sinais de pulso 28, que ocorre em um segundo e meio, são recebidos em um dado comprimento de corda 12 e a média computada espacialmente. O sinal analógico médio é filtrado e amplificado pela unidade pulsador/receptor 22 e convertido em um sinal digital pelo conversor analógico em digital 24. O sinal digital, representado o ponto de dados para um ciclo, ou, alternativamente, uma posição particular, é coletado e

Petição 870190074554, de 02/08/2019, pág. 14/50 / 17 armazenado em memória do PC 26.

[00031] O aplicativo de software extrai informação, incluindo amplitude de tempo de chegada, de cada ponto de dado e pode ser traçado contra uma medida da vida do ciclo da corda 12. Para extrair a amplitude de cada ponto de dado, uma janela baseada no tempo da forma de onda da frequência de rádio recebida (RF) é selecionada e o valor de pico do sinal é extraído. A figura 2 é um gráfico exemplar da amplitude de sinal de cada ponto de dado em um local específico da corda colocada em gráfico em função da porcentagem de vida da corda. Para extrair o tempo de chegada de cada ponto de dado, uma janela de tempo na forma de onda RF é primeiramente selecionada para avaliação. O pico do sinal nesta janela é então determinado e encaminhado de volta para o cruzamento zero anterior. O tempo correspondente ao cruzamento zero é extraído e colocado em gráfico em função do número ou posição do ciclo ao longo da corda. A figura 3 é um gráfico exemplar do tempo de chegada de cada ponto de dado colocado em gráfico em função da porcentagem de vida do cabo. Outras propriedades de pontos de dados que podem ser adicionalmente analisadas incluem a energia total recebida e conteúdo da frequência de sinal.

[00032] Os dados apresentados podem ser usados em uma variedade de maneiras. Em algumas modalidades, o aplicativo de software mede mudanças nos dados de propriedades de propagação de sinal da corda 12 e avalia a saúde estrutural da corda 12. Uma propriedade física chave da corda 12 é o módulo elástico conhecido por variar com o tempo em resposta a fadiga da fibra. A quantidade de transmissão de energia e velocidade do sinal do pulso de propagação 28 é um fator da densidade e módulo da corda 12. Correspondentemente, a mudança no tempo de deslocamento dos sinais de pulso ultrassônicos em uma faixa de frequências pode ser usada para determinar a mudança no módulo da corda 12. Mudanças nas propriedades dos sinais ultrassônicos que passam através e em torno da corda 12 com o

Petição 870190074554, de 02/08/2019, pág. 15/50 / 17 tempo podem também ser usadas para determinar mudanças no módulo, e assim a fadiga ou desgaste da corda 12. Alternativamente, no caso onde não existem dados previamente coletados para uma corda particular, os dados podem ser comparados com um valor de referência conhecido para determinar aproximadamente o módulo, e assim a fadiga ou desgaste da corda 12.

[00033] Dois outros parâmetros conhecidos por afetar as propriedades de propagação do sinal ultrassônico são afinamento, ou redução de diâmetro, e a temperatura da corda. A redução de diâmetro da corda causaria mudanças no tempo e amplitude de chegada da onda ultrassônica no transdutor de recepção 20. Similarmente, o módulo da corda 12 é afetado pela temperatura interna do cabo, que mudaria as propriedades de propagação do sinal ultrassônico. Métodos sem contato para medir essas variáveis incluem, mas sem limitações, um termômetro infravermelho ou um pirômetro ótico para medir temperaturas, e transdutores ar-acoplados no modo de pulso para medir o diâmetro da corda 12. Esses e outros parâmetros físicos podem ser monitorados, com essas e outras técnicas de medição, e usados para estabelecer fatores de correção, se necessários, para os sinais de pulsos ultrassônicos recebidos.

[00034] O aplicativo de software pode operar em um modo de saúde do cabo, por meio do que um conjunto de dados de referência inicial adquirido para a corda 12 antes ou imediatamente depois de ser posto em serviço é usado como um conjunto de dados de referência. Conjuntos de dados subsequentes são então comparados com o conjunto de dados de referência. A saúde da corda 12 é determinada com base em mudanças nas propriedades de sinal com o tempo. O software pode também operar em um modo de teste não destrutivo por meio do que os conjuntos de dados são comparados com valores de patamar predeterminados para determinar a saúde da corda 12. Os valores de patamar são armazenados em uma base de dados e podem ser determinados varrendo um conjunto de amostras de corda em condições

Petição 870190074554, de 02/08/2019, pág. 16/50 / 17 conhecidas.

[00035] Além disso, o aplicativo de software pode prover os dados de propagação de sinal ultrassônico como um outro parâmetro para os critérios de exclusão para um corda 12 em uma aplicação particular. Ou seja, as propriedades de propagação de sinal ultrassônico de um cabo podem ser monitoradas junto com outros parâmetros, tais como, mas sem limitações, a tensão sob a qual a corda estava, o número de ciclos em uma polia, o tempo que a corda ficou em serviço, para determinar quando o cabo deve ser retirado de serviço. Em um caso desses, o aplicativo de software pode operar em um ou ambos os modos referidos, e o corda 12 é retirado de serviço e substituído com base em um critério de exclusão predeterminado baseado em todos os fatores aqui listados.

[00036] Rotinas de reconhecimento de padrão podem ser empregadas pelo aplicativo de software para ajudar analisar os sinais recebidos, avaliar as propriedades de propagação do sinal ultrassônico e, em alguns casos, monitorar a saúde da corda. As propriedades e recursos do sinal podem ser de natureza estatística ou probabilística, tais como assimetria, Kurtose ou média. As propriedades podem também ser extraídas a partir de domínios de tempo e/ou frequência, e de outras fontes tais como transformada de Hilbert, duração de pulso e/ou tempo de subida e queda. Além do mais, propriedades baseadas em física derivadas de mecanismos de onda, por exemplo, velocidade ou tempo de chegada de onda em função de frequência, ou em uma frequência particular, deslocamento de frequência comparada com dados de referência, atenuação em função da frequência, e similares, poderiam ser avaliadas pelas rotinas. Em casos em que o aplicativo de software avalia a saúde estrutural do cabo, o benefício de se usarem rotinas de reconhecimento de padrão depende da seleção de propriedades de sinal significativas para monitoramento. Algoritmos de reconhecimento de padrão utilizando uma abordagem discriminativa linear, regra do vizinho mais próximo, ou rede neural medida

Petição 870190074554, de 02/08/2019, pág. 17/50 / 17 poderiam ser usados.

[00037] O sistema 10 supradescrito pode ser modificado sem fugir do escopo da invenção. Por exemplo, em vez de usar transdutores piezoelétricos, outros transdutores sem contato podem ser usados, tais como transdutores eletromagnéticos ou acústicos. Como um outro exemplo, o sistema 10 poderia ser hermético a água e usar transdutores acoplados com água (por exemplo, hidrofones), particularmente para aplicações subaquáticas incluindo inspeção e avaliação de cabo submarino. Ainda adicionalmente, transdutores acústicos podem ser projetados para funcionar em outros tipos de meios, por exemplo, óleo, e poderiam também ser considerados dependendo da aplicação.

[00038] Um arranjo de transdutor alternativo para o sistema 10 está mostrado na figura 6. Como mostrado, pares de transdutores adicionais 16 são providos e angularmente espaçados em torno da corda 12 para prover um arranjo tipo anel. Um arranjo como este pode prover um único ponto ou média espacial melhorada por meio de operação de arranjo pulsado. Um outro arranjo de transdutor alternativo para o sistema 10 está mostrado na figura 7. Como mostrado, pares de transdutores adicionais 16 são providos e espaçados longitudinalmente ao longo da corda 12. Com um arranjo como este, múltiplos valores de dados podem ser obtidos para um único ponto da corda móvel 12 e a média dos mesmos calculada. Em cada um desses arranjos alternativos, cada par de transdutores 16 poderia operar a uma frequência diferente. Além disso, esses arranjos alternativos poderiam ser combinados para prover anéis de transdutores em múltiplos locais longitudinais ao longo da corda 12.

[00039] Referindo-se às figuras 8a e 8b, os arranjos de transdutores citados podem ser usados com relação a uma armação de suporte 40 com uma passagem 42 através da qual a corda estende-se. A armação de suporte 40 inclui uma pluralidade de suportes alongados 44 (por exemplo, barras de alumínio extrudado) que conectam nas montagens de cantoneiras 46 para

Petição 870190074554, de 02/08/2019, pág. 18/50 / 17 suportar os transdutores 19, 20. Os transdutores 19, 20 podem ser suportados por diferentes suportes alongados 44. Além disso, cada par de transdutores pode ser angularmente deslocado (por exemplo, 120 graus) e longitudinalmente espaçado dos outros pares de transdutores (isto é, posicionados em diferentes planos). A armação de suporte 40 também inclui chapas de extremidade 48 (por exemplo, chapas de alumínio) que montam os suportes alongados 44. Dois dos suportes alongados 44 são preferivelmente conectados por articulações 50 que permitem que a armação 40 abra, seja colocada em torno da corda e conectada no mecanismo de manuseio (não mostrado).

[00040] Em cada das modalidades citadas, o par de transdutores 16 pode ser fixo no lugar enquanto a corda 12 move-se em relação aos transdutores 18, 20. Isto é adequado para aplicações tais como, mas sem limitações, guindastes e guinchos, onde a corda 12 move-se durante o uso. Alternativamente, e em cada uma das modalidades citadas, os transdutores 18, 20 são fixos uns em relação aos outros, e movem-se em relação a uma corda estacionária 12. Isto é adequado para aplicações tais como, mas sem limitações, amarração, onde toda a corda 12 fica estacionária.

[00041] Embora o sistema ilustrado 10 utilize um arranjo de transmissão direta, outras configurações sem contato, tal como um arranjo de pulso/eco ou onda de cisalhamento, podem ser utilizados. Por exemplo, um arranjo pulso/eco permitiria um método de avaliação do coeficiente de reflexão. Neste caso, uma correlação entre a quantidade de ondas ultrassônicas refletidas e a integridade da corda 12 poderia ser desenvolvida e utilizada. Um método como este pode ser preferido em aplicações com afinamento da corda significante, ou se forem desejados menos transdutores. [00042] Resultados experimentais [00043] Diversas cordas de fibra de polietileno de alto módulo de 0,75 (19,05 mm) de diâmetro (HMPE) foram submetidos a seis ciclos por minutos

Petição 870190074554, de 02/08/2019, pág. 19/50 / 17 a uma carga de 7.000 libras (2.613 kg) usando uma configuração substancialmente igual à ilustrada na figura 1. A corda tipicamente foi reprovada e rompeu depois de 3.800 ciclos. Todos os dados foram coletados no mesmo local em cada um das cordas usadas para os experimentos. As figuras 2 e 4 mostram a amplitude dos pontos de dados de duas amostras separadas. Os dados mostram um padrão consistente e previsível. As figuras 3 e 5 mostram o tempo de chegada dos pontos de dados para os mesmas cordas usados para as figuras 2 e 4, respectivamente. Como com amplitude, o tempo de chegada mudou em um padrão consistente e previsível. Dado que os gráficos são gerados usando milhares de pontos de dados, os padrões são estatisticamente significantes.

[00044] Pela descrição apresentada, deve ficar aparente que o sistema de acordo com a presente invenção usa transdutores ultrassônicos sem contato para medir as propriedades de propagação acústica através de uma corda sintético. Além disso, as propriedades de propagação acústica mudam de uma maneira mensurável à medida que a corda ou cabo desgasta. Estes dados podem ser usados em conjunto com outros fatores para ajustar os critérios de exclusão para corda de fibra sintética. O sistema pode ser desdobrado em um ambiente externo, tal como em uma embarcação marítima ou plataforma de óleo, para medir mudanças nas propriedades físicas, tal como módulo, das cordas usadas na mesma. Em algumas modalidades, o sistema inclui um gerador de forma de onda, um primeiro transdutor para gerar sinais ultrassônicos, um segundo transdutor para receber sinais ultrassônicos longitudinais propagados transversalmente através da corda e em torno do perímetro da corda, e um processador utilizando algoritmo para avaliar as propriedades de propagação acústica da corda. Em algumas modalidades, medições sem contato e em tempo real obtidas pelo sistema permitem determinações de integridade da corda de alta velocidade e confiável não possíveis com métodos de inspeção visual e pelo histórico de uso convencionais.

Petição 870190074554, de 02/08/2019, pág. 20/50 / 17 [00045] Em algumas modalidades, a presente invenção provê um sistema que transmite, mede e analisa sinais ultrassônicos propagados transversalmente através da corda e em torno do perímetro da corda. Recursos específicos do sinal ultrassônico podem ser monitorados com o tempo para detectar descontinuidades ou medir mudanças nas propriedades físicas da corda para, entre outras coisas, mas sem limitações, prever a vida útil restante. Alternativamente, recursos específicos do sinal ultrassônico podem ser extraídos e comparados com um valor de referência conhecido para detectar descontinuidades ou estimar o estado atual de propriedades físicas da corda para, entre outras coisas, mas sem limitações, prever a vida útil restante. Recursos de sinal que poderiam ser usados incluem, mas sem limitações, amplitude de sinal, energia recebida total, tempo de chegada do sinal, ou velocidade da onda da corda e conteúdo da frequência do sinal. O uso de um recurso, ou combinações de diversos recursos, podem também ser feito para avaliar as propriedades físicas de corda sintética.

[00046] Modalidades preferidas da invenção foram descritas com detalhes consideráveis. Embora uma certa atenção tenha sido dada a várias alternativas dentro do escopo da invenção, prevê-se que versados na técnica provavelmente realizarão alternativas que são agora aparentes a partir da revelação de modalidades da invenção. Dessa forma, o escopo da invenção não está limitado à revelação apresentada.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Sistema (10) de avaliação sem contato de propriedade de propagação de sinal acústico para cordas sintéticas, compreendendo:

um primeiro transdutor (18) espaçado de um lado de uma corda a ser avaliada, configurado para converter um primeiro sinal elétrico em um sinal acústico direcionado para a corda (12), em que uma primeira porção do sinal acústico propaga através da corda (12) em uma direção transversal e uma segunda porção do sinal acústico passa em torno do perímetro da corda (12), caracterizado pelo fato de compreender ainda:

um segundo transdutor (20) espaçado de um lado oposto da corda (12) e radialmente alinhado com o primeiro transdutor (18), configurado para receber e converter a primeira e segunda porções do sinal acústico em um segundo sinal elétrico;

um circuito de processamento de sinal (24) configurado para gerar o primeiro sinal elétrico e para receber e converter o segundo sinal elétrico em um sinal digital; e, um processador (26) conectado no circuito de processamento de sinal (24) e executando código legível por computador configurado para atribuir propriedades do sinal digital às propriedades de propagação acústica da corda (12) e fornecer uma medida de saúde estrutural da corda (12) com base na parte das propriedades de propagação acústica da corda (12).

2 / 5

2. Sistema (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sinal acústico é uma forma de onda ultrassônica e a primeira porção do sinal acústico é uma onda ultrassônica longitudinal.

3 / 5 converter, com um primeiro transdutor (18) e em um primeiro local espaçado da corda (12), o primeiro sinal elétrico em um sinal acústico;

direcionar o sinal acústico em uma direção transversal para um primeiro local longitudinal da corda (12), em que ao colidir na corda (12), uma primeira porção do sinal acústico propaga através da corda (12) e uma segunda porção do sinal acústico passa em torno do perímetro da corda (12);

receber, com um segundo transdutor (20) e em um segundo local espaçado da corda (12), a primeira porção e a segunda porção do sinal acústico;

converter, com o segundo transdutor (20), a primeira porção e a segunda porção do sinal acústico em um segundo sinal elétrico;

receber e converter, com o circuito de processamento de sinal (24), o segundo sinal elétrico em um sinal digital;

analisar, com um processador (26), o sinal digital representando a primeira porção e a segunda porção do sinal acústico; e, repetir as etapas de gerar, converter, direcionar, receber, converter, receber e converter, e analisar, ao longo do tempo à medida que a corda (12) desgasta para monitorar mudanças na primeira porção e a segunda porção do sinal acústico e assim determinar mudanças da saúde estrutural da corda (12).

3. Sistema (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro e segundo transdutores (18, 20) são fixos no lugar e a corda (12) move-se em relação ao primeiro e segundo transdutores (18, 20).

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4 / 5 acústico usando um primeiro transdutor (18) espaçado da corda (12).

4. Sistema (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente:

um terceiro transdutor espaçado da corda (12) e do primeiro transdutor (18); e, um quarto transdutor espaçado da corda (12) e do segundo transdutor (20).

5 / 5

5. Sistema (10) de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o primeiro transdutor (18) e o segundo transdutor (20) são posicionados em um primeiro local longitudinal da corda (12), e o terceiro transdutor e o quarto transdutor são posicionados em um segundo local longitudinal da corda (12).

6. Sistema (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro sinal elétrico é um de um pulso e de uma forma de onda senoidal.

7. Sistema (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro transdutor (18) e o segundo transdutor (20) são transdutores de base piezoelétricos.

8. Sistema (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente:

uma primeira folga de ar (30) disposta entre o primeiro transdutor (18) e a corda (12); e, uma segunda folga de ar (30) disposta entre o segundo transdutor (20) e a corda (12).

9. Método para avaliar propriedades de propagação de sinal acústico através de uma corda (12) à medida que a corda (12) é usada ao longo do tempo para monitorar a saúde estrutural da corda (12), caracterizado pelo fato de compreender as etapas de:

gerar, com um circuito de processamento de sinal (24), um primeiro sinal elétrico;

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10. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que inclui adicionalmente repetir as etapas de gerar, direcionar, receber e analisar em cada um de uma pluralidade de locais longitudinais ao longo da corda (12).

11. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que compreender ainda a etapa de determinar uma taxa de mudança da primeira porção e da segunda porção do sinal acústico.

12. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a etapa de gerar um sinal acústico inclui gerar o sinal

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13. Método de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a etapa de receber a primeira porção e a segunda porção do sinal acústico inclui receber a primeira porção e a segunda porção do sinal acústico usando um segundo transdutor (20) espaçado da corda (12) oposta ao primeiro transdutor (18).

14. Método de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de compreender ainda a etapa de mover o primeiro transdutor (18) e o segundo transdutor (20) enquanto a corda (12) permanece estacionária.

15. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a etapa de direcionar inclui direcionar o sinal acústico através de uma folga de água entre o primeiro local e a corda (12).

16. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que as propriedades de propagação de sinal acústico da corda (12) inclui uma velocidade de propagação acústica, e a primeira porção e a segunda porção do sinal acústico são baseadas pelo menos em parte na velocidade de propagação de sinal acústico.

17. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a etapa de repetir as etapas de gerar, direcionar, receber, e analisar ao longo de tempo à medida que a corda (12) desgasta para monitorar mudanças na primeira porção e segunda porção do sinal acústico inclui determinar mudanças no módulo elástico da corda (12) para assim determinar mudanças da saúde estrutural da corda (12).

18. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a etapa de repetir as etapas de gerar, direcionar, receber, e analisar ao longo de tempo à medida que a corda (12) desgasta para monitorar mudanças na primeira porção e segunda porção do sinal acústico inclui determinar mudanças no diâmetro da corda (12) para assim determinar mudanças da saúde estrutural da corda (12).

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19. Sistema (10) de avaliação sem contato de propriedade de propagação de sinal acústico para cordas sintéticas, compreendendo:

um primeiro transdutor (18) espaçado de um lado de uma corda (12) a ser avaliada, configurado para converter um primeiro sinal elétrico em um sinal acústico direcionado para a corda (12), em que uma primeira porção do sinal acústico propaga através da corda (12) em uma direção transversal e uma segunda porção do sinal acústico passa em torno do perímetro da corda (12), caracterizado pelo fato de compreender ainda:

um circuito de processamento de sinal (24) configurado para gerar o primeiro sinal elétrico e para receber e converter o segundo sinal elétrico em um sinal digital; e, um processador (26) conectado no circuito de processamento de sinal (24) e que é configurado para determinar propriedades do sinal digital às propriedades de propagação acústica da corda (12) com base no segundo sinal elétrico e prover uma medida de saúde estrutural da corda (12) com base nas propriedades de propagação acústica da corda (12).