CARACTERIZAÇÃO DE CANAL ACÚSTICO BASEADO EM
TRANSDUTORES PIEZOELETRICOS
Aluno: Pedro Martins Gomes
Orientador: Arthur Braga e Sully Quintero
Introdução
O escopo do projeto “MEMS WELLBORE MONITORING SYSTEM”, em pareceria com a empresa Shell, tem como objetivo desenvolver sistemas para o monitoramento em fundo de poço baseado em sistemas microeletromecânicos (MEMS).
Dentro do desenvolvimento do projeto minha participação está focada na caracterização do canal acústico baseado em transdutores piezoelétricos (PZTs – Piezoelectric Transducers).
O estudo será divido em duas partes:
Inicialmente será feita uma caracterização acústica de todos os componentes envolvidos no canal acústico, utilizando um ecoscópio ultrassônico, modelo GS200, fabricado pela Gampt Ultrasonic Solution. Os valores obtidos serão usados como parâmetros de entrada em simulações que serão comparados com os resultados experimentais.
Posteriormente, serão realizados os testes experimentais para determinar a eficiência de transmissão de energia entre dois PZTs em diversas configurações de operação que serão detalhadas na seção de metodologia experimental. A seguir serão apresentados alguns conceitos básicos relacionados com o canal acústico, o plano de testes e o desenvolvimento das bancadas experimentais.
Fundamentos Teóricos
Transdutores Piezoelétricos (PZTs)
Transdutores piezoelétricos são materiais cerâmicos, cristais, compósitos e polímeros que podem apresentar comportamentos de atuadores ou sensores, através do efeito piezoelétrico, pela conversão de energia elétrica em energia mecânica e, reciprocamente, energia mecânica em energia elétrica [1]. A figura abaixo demonstra a relação de entrada e saída do efeito piezoelétrico:
Figura 1 - Demonstração do efeito piezoelétrico.
Fonte:
Os materiais piezoelétricos apresentam grande aplicabilidade em sistemas de comunicação e sensoriamento. Exemplos do uso destes materiais, em diversas áreas, como em funções de monitoramento na área da saúde, militares, aparelhos eletrônicos do dia-a-dia (e.g. telas touchscreen e de televisores), entre outras. [2]
Sistemas Microeletromecânicos
Sistemas microeletromecânicos (MEMS – Microelectromechanical systems), são estruturas que mesclam propriedades mecânicas e eletrônicas, com dimensões que variam de micrômetros a um milímetro.
A principal característica dos MEMS é a capacidade de detecção de mudanças físicas em determinado meio (micro-sensores), gerando sinais elétricos, que são enviados e processados por sistemas microeletrônicos que acionam micro-atuadores, para a realização de determinada tarefa.
A infinidade de aplicações destes sistemas se reflete no grande crescimento do mercado dos MEMS nos últimos anos e em projeções ainda maiores para o futuro, tal como visto na figura 2 abaixo, junto à alguns dos exemplos de aparelhos nos quais são utilizados:
Figura 2 - Gráfico de previsão e valor do mercado dos MEMS, com áreas de usos mais frequentes.
Fonte: http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1328333
Canalacústico
Basicamente, um canal de comunicação pode ser definido como um meio de transmissão pelo qual viajam sinais portadores de informação entre um emissor e um receptor.
Neste trabalho de pesquisa, estuda-se um canal acústico, onde os emissores e receptores são ambos PZTs, que geram ondas acústicas que se propagam em um meio de liquido e devem atravessar uma parede metálica. O emissor e o receptor estariam instalados na coluna e na superfície externa do revestimento, respectivamente.
Um dos primeiros usos submarinos do canal acústico para comunicação foi desenvolvido pela marinha dos Estados Unidos, durante a segunda guerra mundial, por apresentarem um poder de alcance muito maior do que comunicações através de radiofrequência [3]. Contudo, existem sérios desafios devido à dependência com a frequência e múltiplas reflexões que limitam sua aplicação.
Um outro exemplo de aplicação do canal acústico muito interessante é a levitação acústica. Onde através de um emissor de ondas sonoras de alta frequência, que são refletidas por uma superfície côncava, é possível suspender pequenas partículas. As figuras 3.a e 3.b mostram um experimento onde é possível ver partículas de poliestireno suspensas e a simulação da onda estacionária:
Figura 3 – a) Foto demonstrando a levitação acústica. b) Simulação do canal acústico onde é possível visualizar a onda estacionaria.
Fonte: https://publishing.aip.org/publishing/journal-highlights/acoustic-levitation-made-simple Metodologia Experimental
O roteiro de estudo estão divido em três principais testes cujos objetivos são:
O Teste 1 tem por objetivo validar o princípio de operação do canal acústico. O Teste 2 tem por objetivo determinar como a temperatura (até 50°C), o fluido
no meio, a distância vertical e horizontal (eixos x e z, respectivamente) e o ângulo entre os PZTs influenciam na transmissão do canal acústico
Por fim, o Teste 3 tem por objetivo determinar especificamente como a alta temperatura (120°C) em função da posição entre eles influi na transmissão do canal acústico.
Durante os testes, os transdutores serão instalados com duas configurações diferentes chamadas de: simples (ou simple PZT) e mosaico (ou array PZT). Paralelamente aos estudos de caracterização, estas configurações serão estudadas.
Para auxiliar a preservação do sistema durante o estudo, foram usinadas peças que alojam e separam os transdutores piezoelétricos do fluido do meio, denominadas housings. Estes componentes são fixados nos corpos de aço que simulam a coluna e o revestimento com o uso de resinas curadas a temperaturas elevadas, garantindo mais efetivamente a vedação contra os líquidos.
Figura 4 - Configurações dos PZTs nos Housings a serem instalados.
Durante os testes será utilizado um analisador vetorial (VNA – Vector Network Analyzer) para medir o parâmetro S21, que descreve a relação entrada-saída de energia entre portas de um sistema elétrico em função da frequência. Quanto maior for este parâmetro, mais eficiente será a transmissão de energia.
Teste 1
A montagem desta etapa do estudo consiste em dois tubos concêntricos, instrumentados com PZTs. Para o tubo externo, o PZT foi instalado diretamente em sua superfície externa, enquanto no tubo interno, o PZT foi instalado no housing e o conjunto foi fixado na superfície externa deste tubo.
Este experimento possui dois perfis de housing em que os PZTs serão fixados. Ambos possuem as mesmas medidas e propriedades de material, com alteração apenas em uma das faces do corpo da peça, onde um possui uma face plana e outro possui a face equivalente arredondada.
Abaixo estão as propriedades do material e ilustração da montagem deste teste:
Quadro 1 – Dados dos materiais utilizados nos tubos que simulam a coluna e o revestimento.
Tubo Externo Tubo Interno
Material Aço carbono Alumínio
Diâmetro externo [mm] 325 220 Espessura [mm] 7 10 1 Housing 2 Coluna/Revestimento 3 PZT 1 2 3
Teste 2
Esta montagem se baseia em dois arcos de tubo similares de aço carbono, com diâmetro 325mm e espessura 7mm. Sendo um arco fixo e outro móvel, ambos são instrumentados em suas faces externas, banhados em fluidos com temperaturas controladas por um banho térmico e posições relativas controladas por bases de translação lineares e angulares.
Similarmente ao teste 1, os arcos tiveram instalações de PZTs distintas: o arco fixo teve o PZT instalado diretamente na superfície de sua face externa, enquanto o arco móvel teve o PZT instalado no housing que foi fixado em sua face externa.
Para garantir eficiência nos testes, são utilizados equipamentos eletrônicos e mecânicos de alta precisão para as variações de posição do arco com PZT móvel. Para a variação da posição no eixo x, foi adaptado ao projeto a base de translação linear eletrônica, modelo UTS150PP da marca Newport Corporation. Já para o eixo z, foi empregado um parafuso micrométrico para o deslocamento linear e um goniômetro eletrônico, modelo 495ACC, também da marca Newport Corporation para o deslocamento angular do arco com o transdutor.
A ilustração abaixo mostra o sistema completo da montagem:
Figura 6 – Ilustração do Teste 2. a) Vista lateral. b) Vista de perspectiva. c) Vista frontal.
1 Base Linear Eletrônica
2 Goniômetro Eletrônico
3 Parafuso Micrométrico
4 Coluna/Revestimento
5 Housing PZT
6 Conector Parafuso Micrométrico-Arco 7 Conector Goniômetro-Parafuso Micrométrico
Durante o teste, os dispositivos eletrônicos serão programados para trabalhar em deslocamentos lineares específicos e realizando varreduras angulares, para cada posição do eixo z definida manualmente. O fluido entre os PZTs deverá ser aquecido para temperaturas de até 50°C.
Teste 3
Para a realização da terceira bancada experimental, são utilizadas duas chapas de aço carbono, com dimensões 100x100mm e espessuras variadas, instrumentadas por PZTs. Ambas as chapas são banhadas por óleo de silicone aquecido a altas temperaturas por um banho
1 4 2 7 3 6 5
térmico. O deslocamento linear entre os transdutores nas chapas é realizado por uma base de translação linear manual (devido ao uso em temperaturas mais altas).
A configuração da montagem deste teste é similar à do experimento anterior, como mostra a ilustração abaixo:
Figura 7 – Ilustração do Teste 3. a) Vista lateral. b) Vista de perspectiva. c) Vista frontal.
1 Base Linear
2 Coluna/Revestimento
3 Housing PZT
4 Conector Base Linear-Chapa
Para o teste, a temperatura do fluido será controlada até 120°C, com variações gradativas de posicionamento relativo entre os PZTs, em distâncias de até aproximadamente 50mm. Conclusão e Futuros Passos
Das três bancadas experimentais planejadas, o teste 1 já está com sua montagem concluída e, para os testes 2 e 3, restam apenas peças que estão em usinagem (ver apêndice A e B) para a conclusão.
Posteriormente, com a chegada das peças e equipamentos adquiridos, os testes serão inciados.
Referências Bibliográficas
[1] TORRES, Henrique. MEMS – Sistemas Microeletromecânicos. Out. 2014. Disponível em: <https://www.embarcados.com.br/mems/>. Acesso em: 26 jul. 2017.
[2] LI, Huidong; DENG, D.Z.; Carlson, T.J. Piezoelectric Materials Used in Underwater Acoustic Transducers. Richland, Washington. 2012. p. 65.
[3] STOJANOVIC, Milica; BEUJEAN, P.P. Springer Handbook of Ocean Engineering. 2016. p.359-386. ISBN: 978-3-319-16648-3.
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