Sensores LVDT para Aplicações de Medição Submarina

Os ambientes submarinos são uma das áreas mais difíceis para o funcionamento de qualquer sensor. Especialmente quando se espera que funcione por até 20 anos em uma aplicação subaquática. Em ambientes submarinos, profundidades de água do mar de 15.000 pés podem exercer pressões externas de aproximadamente 7.500 psi em um sensor. Muitos sensores falham ao longo do tempo em ambientes de alta pressão em alto mar, causando despesas indevidas relacionadas à substituição do sensor. Muitas vezes, o custo do serviço de manutenção na substituição do sensor é maior do que o próprio sensor. É por isso que muitas aplicações exigem vida útil prolongada do sensor como parte das especificações operacionais. A água do mar também ataca os metais do sensor em diferentes profundidades de água, resultando em corrosão acelerada pelos diferentes níveis de oxigênio, temperatura, pH, clorinidade, atividade biológica, condutividade elétrica e taxas de fluxo de velocidade presentes na água do mar em várias profundidades. A corrosão pode ocorrer na forma de buracos, fendas ou ser intergranular e leva à falha do sensor.

Águas estagnadas ou poluídas são gatilhos adicionais que geralmente promovem bactérias redutoras de sulfato que podem afetar o desempenho dos materiais do sensor. A alta condutividade elétrica da água do mar promove a corrosão das macrocélulas e aumenta a corrosão galvânica, que também acelera o aumento da temperatura, promovendo ainda mais a corrosão. A corrosão microbiana Induzida é um problema muito sério que afeta a operação do sensor com base em diferentes condições de serviço e materiais usados na construção do sensor, especialmente aços inoxidáveis austeníticos de baixo grau. É um processo de corrosão que envolve a degradação do material que normalmente ocorre em juntas soldadas e leva à falha da solda se não for verificado e tratado a tempo. Como resultado dos efeitos da pressão e da água do mar nos sensores, as aplicações submarinas apresentam desafios especiais para operações confiáveis. Dependendo da temperatura, salinidade, níveis de oxigênio e profundidades da água do mar, o LVDT (transformador diferencial linear variável), quando hermeticamente selado e construído com ligas especiais, geralmente é a única tecnologia que pode fornecer desempenho preciso e confiável em condições submarinas.

Um LVDT é um sensor eletromecânico que converte o movimento retilíneo de um objeto, ao qual está acoplado mecanicamente, em um sinal elétrico correspondente.  Disponível em uma variedade de faixas de medição, um sensor de posição linear LVDT pode medir movimentos tão pequenos quanto alguns milionésimos de polegada até ±20 polegadas. A Figura A mostra os componentes de um LVDT típico. A estrutura interna do transformador consiste em um enrolamento primário centrado entre um par de enrolamentos secundários enrolados de forma idêntica, espaçados simetricamente em torno do primário. .As bobinas são enroladas em uma forma oca de peça única de polímero reforçado com vidro termicamente estável, encapsuladas contra umidade, envoltas em uma blindagem magnética de alta permeabilidade e, em seguida, fixadas em um invólucro cilíndrico de aço inoxidável. Este conjunto de bobina é geralmente o elemento estacionário do sensor de posição. Em operação, o enrolamento primário do LVDT é energizado por uma corrente alternada de amplitude e frequência apropriadas, conhecida como excitação primária. O sinal elétrico de saída do LVDT é a tensão CA diferencial entre dois enrolamentos secundários, que varia com a posição axial do núcleo dentro da bobina do LVDT. Normalmente, esta tensão de saída CA é convertida por circuitos eletrônicos adequados em tensão ou corrente CC de alto nível que é mais conveniente de usar.

Sensores de Posição Linear LVDT são amplamente utilizados para sistemas de monitoramento de condição como parte das funções de controle e segurança para aplicações em plataformas offshore, sistemas de dessalinização, cabos de amarração, cabeças de poços no fundo do mar, e sistemas de coleta de petróleo e gás. Durante a operação, os sensores podem ser submersos na água do mar em profundidades variadas, com base nas marés, até 1.000 pés. A precisão do LVDT e a operação de longo prazo são particularmente necessárias para monitorar o movimento estrutural para FEA (Análise de Elementos Finitos) de longo prazo de dutos, torres, ancoragens, válvulas de bloqueio, extensômetros e outros membros críticos de alta tensão em plataformas de petróleo offshore. Por exemplo, LVDTs submarinos podem ser usados para medir a extensão dos membros estruturais de plataformas de petróleo a uma fração de microdeformação. Para confirmar que as plataformas de petróleo não mudam, o movimento é medido a menos de 2 mm. Os LVDTs submarinos também são adequados para fornecer realimentação de posição necessária para monitorar e controlar o status de bloqueios ou válvulas para fornecer fluxo adequado de gás ou petróleo através de “Árvores de Natal Submarinas”. Uma Árvore de Natal Submarina refere-se a um conjunto de válvulas, carretéis e conexões para um poço de petróleo, que, em formação, lembram uma árvore decorada. Sua função é evitar a liberação de óleo ou gás de um poço de petróleo, enquanto direciona o fluxo de fluidos do poço.

Válvulas ou bloqueios na Árvore de Natal são usados para abrir e fechar as tubulações de petróleo à medida que trazem óleo do fundo do mar. Eles são controlados remotamente por atuadores hidráulicos ou elétricos. A realimentação de posição é necessária para monitorar e controlar o status do bloqueio como parte de um módulo de controle submarino. LVDTs simples ou redundantes montados em atuadores de válvula são usados para confirmar que quando os bloqueios estão quase fechados, o fluxo é totalmente interrompido. A falha em fechar completamente um bloqueio pode resultar em um desastre ambiental como o ocorrido recentemente no Golfo. Existem vários tamanhos de bloqueios de mar, mas os cursos completos típicos variam de 2 a 12 polegadas. Os LVDTs também são usados em torres submarinas para monitorar a extensão de cabos de segurança, fornecendo informações críticas em caso de mau tempo ou terremoto, levando à evacuação da plataforma de perfuração e ao fechamento do poço de petróleo. Esta aplicação surgiu como resultado das políticas de segurança e meio ambiente exigidas pelas companhias petrolíferas e seguradoras.