Basico gyro

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Utilização bússolas giroscópicas pela Petrobras.

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Basico gyro

  1. 1. Básico sobre Bússolas (Gyro) João Kruly Frediani (UPP4) US-SUB/GDS 06/11/2008
  2. 2. DefiniçãoBússolas. f. 1. Fís. Instrumento de orientação, usado em navegação marítima e aérea,composto de uma agulha imantada, montada em equilíbrio sobre um eixovertical, encerrada numa caixa circular envidraçada, que contém a rosa-dos-ventos; uma das extremidades permanece voltada sempre para o Norte. 2. Tudoque serve de guia ou norte. (Segundo Dicionario Michaelis)Ela teve sua origem na China do século IV a.C.A primeira referência deste instrumento na Europa aparece em um documento de1190, chamado "De Naturis Rerum". (Segundo Fundação Museu da Tecnologia de São Paulo )Ingles: Compass GyrocompassAlemão: Kompass/Kompaß Kreiselkompass/KreiselkompaßEspanhol: Brújula GirocompásFrancês: Boussole E&P-SERV/US-SUB/GDS
  3. 3. Bussola SimplesComposto por uma agulha magnetizada que aponta o norte magnético da Terra. Seguindoa orientação do campo magnético terrestre. E&P-SERV/US-SUB/GDS
  4. 4. Bússola Fluxgate Baseado no mesmo princípio da orientação através do campo magnético terrestre foram criadas as bússolas fluxgate. Elas são compostas de ao menos um indutor montado em cada eixo ortogonal. Indutores auxiliares podem estar presentes. Um circuito eletrônico compara a projeção em cada um dos eixos e calcula a direção da resultante. O campo magnético da Terra é sempre paralelo a superfície, e o cálculo da projeção adota o mesmo princípio.Bússola/inclinômetro de 3 eixos fluxgate. E&P-SERV/US-SUB/GDS
  5. 5. Problemas no princípio do campo magnético A localização dos pólos variam ao longo do tempo. A declinação magnética e a intensidade doAs bússolas campo variammagnéticas apontampara o norte em função domagnético e não tempo e dapara o verdadeiro. localização.A diferença entre onorte verdadeiro e omagnético é achamada declinaçãomagnética. E&P-SERV/US-SUB/GDS
  6. 6. Problemas no princípio do campo magnético Todos os equipamentos submarinos são construídos com materiais ferromagnéticos. Os materiais ferromagnéticos desviam e concentram o campo magnético. Isto causa leituras erradas nas bússolas baseadas em campo magnético instalado nas imediações destes equipamentos. E&P-SERV/US-SUB/GDS
  7. 7. Bússola Giroscópica Para solucionar os problemas associados com as bússolas magnéticas foram criadas as bússolas giroscópicas. As bússolas giroscópicas usam uma massa giratória apoiada em um conjunto de anéis ligados por mancais. Pela lei da conservação de momento angular, a massa ficará alinhada na direção original. Um método de adição de torque (como fluido viscoso) força a massa a se alinhar a direção de menor potencial ou menor perda de momento angular. A direção que proporciona o menor potencial é paralelo ao eixo de rotação da Terra, alinhado ao Norte. E&P-SERV/US-SUB/GDS
  8. 8. Bússola Giroscópica Apesar das bússolas giroscópicas apontarem ao norte verdadeiro e não sofrerem influência dos campos magnéticos, elas apresentam problemas: •Mecanismo complexo de difícil construção •Mecanismo móvel sujeito a desgaste •Mecanismo sensível a choques •Grande volume e peso •Grande consumo de energia •Tempo alto até a estabilização. •Mecanismo sensível ao ser transportado Bússola Giroscópica fabricada pela Anschütz E&P-SERV/US-SUB/GDS
  9. 9. Bússola CVG A Bússola CVG (Coriolis vibratory gyroscope) emprega um circuito eletrônico para analisar as características da vibração de um corpo. Baseado no efeito de Coriolis é possível inferir a direção e o sentido do eixo de rotação da Terra. E&P-SERV/US-SUB/GDS
  10. 10. Bússola HRG A bússola HRG (Hemispherical Resonator Gyro) também baseia-se no efeito de coriolis para operação. Um hemisfério feito em Quartz (SiO2) com propriedades piezoelétricas é induzido a vibrar. A posição dos pontos nodais é analisada por um circuito eletrônico que indica qual a direção e sentido do eixo de rotação da Terra.Em um sistema de referência ("referencial") em rotação uniforme, os corpos emmovimento, tais que vistos por um observador no mesmo referencial, aparecemsujeitos a uma força perpendicular à direção do seu movimento. Esta força é chamadaForça de Coriolis E&P-SERV/US-SUB/GDS
  11. 11. Bússola Tuning Fork A Bússola Tuning Fork emprega os modos de vibração bem como sua direção e amplitude para o cálculo da orientação. Também emprega a força de Coriolis para este cálculo. E&P-SERV/US-SUB/GDS
  12. 12. Bússola MEMS As bússolas MEMS (Micro- Electro-Mechanical Systems) empregam os conceitos da nanotecnologia para miniaturizar tecnologias consagradas. Neste caso emprega os conceitos da bússola tuning fork. E&P-SERV/US-SUB/GDS
  13. 13. Bússola Ring Laser As bússolas de anel laser empregam um efeito conhecido como efeito Sagnac. Este efeito baseia-se no fato da luz possuir velocidade constante e independente do referencial. Um fonte de luz coerente e de comprimento de onda fixo (LASER), é dividido por um espelho parcialmente refletor. Estes feixes de luz são forçados a percorrer o mesmo caminho, porém em sentidos inversos. Caso o anel formado por estes caminhos esteja sofrendo algum tipo de rotação, os caminhos percorridos pelos feixes de luz terão comprimentos absolutos diferentes. A variação do comprimento do caminho faz com que os dois feixes cheguem ao final com uma diferença de tempo ou fase. Por interferometria e possível identificar de quanto foi esta diferença de fase. Com três conjuntos montados ortogonalmente é possível identificar a direção e sentido do eixo de rotação da Terra. E&P-SERV/US-SUB/GDS
  14. 14. Bússola Fibra ÓpticaBússola FOG (Fiber Optics Gyro) baseia-se nos mesmos princípios dabússola de anel Laser. Porém ao invés de um único anel, emprega umabobina de fibra óptica.Este método faz com que a diferença de caminhos entre os feixes fiquemuito maior do que os obtidos de um simples anel.Esta maior diferença permite detectar com maior facilidade e de forma maisprecisa a rotação do referencial no eixo da bobina. E&P-SERV/US-SUB/GDS
  15. 15. Bússola Fibra ÓpticaA Petrobras tem adotado como ideal para suas operações críticas autilização das bússolas FOG. •Grande precisão •Alta resolução da medida •Boa estabilidade térmica •Rápido Warm-up •Rápida estabilização •Resistência ao choque •Baixo consumo de energia •Baixo peso e volume •Grande MTBF •Custo aceitável •Imunidade a campos magnéticos •True Heading •Não possui partes móveis E&P-SERV/US-SUB/GDS
  16. 16. Características das BússolasResolução da medida:Menor diferença de valores que o instrumento pode representar. Pela ISO-9001um sistema de medição deve empregar um instrumento com resolução mínimade um terço ou idealmente um décimo da resolução a ser controlada. Não deveser confundida com precisão.Atualmente 0.01° para a Octans da IxSea.Precisão da medida:As bússolas que se baseiam no movimento terrestre em geral apresentam a suamaior precisão no equador, com imprecisão relacionada a um valormultiplicado pela secante da latitude de operação.Atualmente 0.1° x Secante da Latitude para a Octans da IxSea e 0,01º xSecante da Latitude para a Phins da IxSea.Estabilidade Térmica:Todo instrumento sofre alguma alteração na medida em função de variações natemperatura, esta variação é chamada de Bias. Quanto menor for esta variaçãomelhor ou o instrumento pode possuir algum tipo de compensação na medida. E&P-SERV/US-SUB/GDS
  17. 17. Características das BússolasTempo de Warm-up:Tempo logo após o instrumento ser ligado em que ele não apresentanenhuma medida, as bússolas FOG empregadas atualmente possuem umtempo em torno de 5 minutos.Tempo de estabilização:As bússolas True-Heading normalmente possuem um periodo após operiodo de warm-up que não apresentam a sua precisão nominal. Asbússolas Octans possuem um tempo de aproximadamente 1 hora. 60,5 Heading (deg) 60 59,5 59 58,5 58 57,5 57 56,5 56 1 3001 6001 9001 12001 15001 18001 21001 24001 Tempo (sec) E&P-SERV/US-SUB/GDS
  18. 18. Características das BússolasResistência ao choque:As operações off-shore em geral expõem os equipamentos a condiçõesbastante severas, choques durante a instalação, overboarding,movimentação submarina, pouso no fundo e resgate dos equipamentos sãocomuns. As Octans operam com até 30g.Consumo do energia/Alimentação:A alimentação durante as instalações são feitas por baterias, e estas devemgarantir o funcionamento por todo o período previsto. As Octans sãoalimentadas entre 18V e 30V, uma bateria deep-sea de 24V 55AH amantém funcionando por aproximadamente 24 horas.MTBF:Tempo médio entre falhas, o tempo em que se espera que o instrumentopermaneça funcionando após a aquisição ou reparo. No caso das Octans éde aproximadamente 30.000 horas E&P-SERV/US-SUB/GDS
  19. 19. Características das BússolasCampos Magnéticos:Alguns tipos de bússolas podem sofrer influência de campos magnéticosgerados ou concentrados pelas estruturas ou equipamentos empregados.Partes móveis/estruturas vibrantes/mecânica fina:As bússolas compostas de partes móveis como as giroscópicas ou quepossuem estruturas vibrantes podem sofrer mais com as características dasoperações offshore como choques mecânicos, térmicos, etc. Eapresentarem redução na vida útil, falha na medida, falha da operação,perda da calibração, etc.Follow-up speed:Máxima velocidade de rotação ou mudança de azimute que a bússolaconsegue acompanhar.No caso da Octans é de 750°/s E&P-SERV/US-SUB/GDS
  20. 20. Cuidados na InstalaçãoLocal de instalação:Preferivelmente deve ser feita uma análise do manual com relaçãoaos fatores preponderantes, e também um estudo de caso em relaçãoa aplicação, porém deve ser escolhido um lugar com:•Baixa vibração ou caso seja necessário um sistema deamortecimento da vibração.•Proteção contra choques diretos.•Próximo ao centro de movimentos do equipamento ou embarcação.•Com a menor variação térmica possível.•No caso de bússola de superfície, ela não deve ser exposta aumidade excessiva.•No caso de bússolas que sofram influência de campos magnéticos,deve ser evitado a montagem perto de equipamentos geradores decampos magnéticos, cabos elétricos, grandes estruturas metálicas.Deve ser feito uma correta calibração da bússola nesta situação. E&P-SERV/US-SUB/GDS
  21. 21. Cuidados na InstalaçãoAlimentação:A alimentação deve ser mantida estável, sem cortes, quedas detensão ou picos. Caso a bússola seja alimentada por correntealternada, deve-se atentar para a frequência da rede, que devepermanecer estável. Caso seja alimentada por corrente continua umafonte com boa filtragem deve ser empregada. Deve se atentar para acorrente consumida.Sinal:Deve-se atentar as conexões dos cabos de sinal, seu comprimento,bitola, tipo da porta de comunicação, isolação e evitar a proximidadedos cabos de sinal com cabos de alimentação.Indicação da Latitude:Algumas bússolas True Heading necessitam da configuração dovalor da latitude de trabalho para reduzir o tempo de convergência emelhorar a precisão. E&P-SERV/US-SUB/GDS
  22. 22. Cuidados na InstalaçãoAlinhamento:O correto alinhamento da bússola com a linha de referência éprimordial. Um erro de alinhamento pode gerar um erro de cálculodo posicionamento de todos os equipamentos.Deve se atentar para o fato de que um erro de somente 0,1° noalinhamento da bússola, pode resultar em um erro de medida de 5mem uma distância de 3000m.Firmeza na montagem:Algumas montagens exigem que a bússola seja montada em umsistema de amortecimento. Este sistema deve cumprir o seu papelsem introduzir folgas angulares no sistema. Ou seja o amortecimentodeve permitir somente um deslocamento no sentido perpendicular abase, restringindo qualquer movimento de rotação da bússola. E&P-SERV/US-SUB/GDS
  23. 23. Cuidados na InstalaçãoAlinhamento:Como um pequeno erro no alinhamento pode causar um grande errono resultado de medições. E&P-SERV/US-SUB/GDS
  24. 24. ComunicaçãoPorta:A maioria das bússolas se comunicam através de comunicação serial do tipoRS-232C ou RS-422, deve se atentar para o número da porta e do padrão decomunicação. Algumas tem varias portas de saída, e em alguns casos podem serconfiguradas.Deve-se atentar para os parâmetros de configuração da porta:Baud Rate, Start Bit, Stob Bit, Paridade, Data Bits, Flow Control, etc.Taxa de atualização:Algumas bússolas permitem configurar a taxa com que são enviados os dados,pode ser expresso em função de intervalo em milisegundos (ms = 1s/1000) ou defrequência (Hz número de vezes por segundo).A taxa de atualização deve permanecer maior ou igual a 4 vezes por segundo (4Hz ou intervalo de 250 ms) com um ideal de 10 vezes (10 Hz ou 100ms).Deve se atentar para a velocidade da porta (Baud Rate) que pode ser inferior anecessária para manter a taxa de atualização informada, neste caso não é possívelprever o comportamento da porta, que pode causar erros aleatórios. E&P-SERV/US-SUB/GDS
  25. 25. ProtocoloA norma NMEA 0183 define os protocolos de comunicação para bússolas,inclinômetros, DGPS, etc. O principal protocolo empregado na comunicação parabússolas True Heading é o HDT.Formato:$--HDT,xxx.xxx,T*cc<CR><LF> <CR><LF> - Caracteres sem representação gráfica, que indicam o retorno ao início de linha, e o avanço de linha. cc – dois caracteres que representam no formato hexadecimal o checksum dos caracteres da string, para validação T* - caracteres fixos xxx.xxx – valor do ângulo em formato decimal, com separador de decimal como sendo “.” (ponto) HDT – caracteres fixos Ex: -- dois caracteres que podem ou $HEHDT,207.1,T*2B não existir $GPHDT,000.0,T*29 $ - Caracter fixo $HEHDT,342.7,T*2D E&P-SERV/US-SUB/GDS

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