Utilização bússolas giroscópicas pela Petrobras.

1. Básico sobre Bússolas
(Gyro)
João Kruly Frediani (UPP4)
US-SUB/GDS
06/11/2008

2. Definição
Bússola
s. f. 1. Fís. Instrumento de orientação, usado em navegação marítima e aérea,
composto de uma agulha imantada, montada em equilíbrio sobre um eixo
vertical, encerrada numa caixa circular envidraçada, que contém a rosa-dos-
ventos; uma das extremidades permanece voltada sempre para o Norte. 2. Tudo
que 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 de
1190, chamado "De Naturis Rerum".
(Segundo Fundação Museu da Tecnologia de São Paulo )
Ingles: Compass Gyrocompass
Alemão: Kompass/Kompaß Kreiselkompass/Kreiselkompaß
Espanhol: Brújula Girocompás
Francês: Boussole
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3. Bussola Simples
Composto por uma agulha magnetizada que aponta o norte magnético da Terra. Seguindo
a orientação do campo magnético terrestre.
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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. Problemas no princípio do campo magnético
A localização
dos pólos variam
ao longo do
tempo.
A declinação
magnética e a
intensidade do
As bússolas campo variam
magnéticas apontam
para o norte
em função do
magnético e não tempo e da
para o verdadeiro. localização.
A diferença entre o
norte verdadeiro e o
magnético é a
chamada declinação
magnética.
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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.
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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.
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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
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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.
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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 em
movimento, tais que vistos por um observador no mesmo referencial, aparecem
sujeitos a uma força perpendicular à direção do seu movimento. Esta força é chamada
Força de Coriolis
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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.
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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.
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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.
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14. Bússola Fibra Óptica
Bússola FOG (Fiber Optics Gyro) baseia-se nos mesmos princípios da
bússola de anel Laser. Porém ao invés de um único anel, emprega uma
bobina de fibra óptica.
Este método faz com que a diferença de caminhos entre os feixes fique
muito maior do que os obtidos de um simples anel.
Esta maior diferença permite detectar com maior facilidade e de forma mais
precisa a rotação do referencial no eixo da bobina.
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15. Bússola Fibra Óptica
A Petrobras tem adotado como ideal para suas operações críticas a
utilização 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
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16. Características das Bússolas
Resolução da medida:
Menor diferença de valores que o instrumento pode representar. Pela ISO-9001
um sistema de medição deve empregar um instrumento com resolução mínima
de um terço ou idealmente um décimo da resolução a ser controlada. Não deve
ser 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 sua
maior precisão no equador, com imprecisão relacionada a um valor
multiplicado pela secante da latitude de operação.
Atualmente 0.1° x Secante da Latitude para a Octans da IxSea e 0,01º x
Secante da Latitude para a Phins da IxSea.
Estabilidade Térmica:
Todo instrumento sofre alguma alteração na medida em função de variações na
temperatura, esta variação é chamada de Bias. Quanto menor for esta variação
melhor ou o instrumento pode possuir algum tipo de compensação na medida.
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17. Características das Bússolas
Tempo de Warm-up:
Tempo logo após o instrumento ser ligado em que ele não apresenta
nenhuma medida, as bússolas FOG empregadas atualmente possuem um
tempo em torno de 5 minutos.
Tempo de estabilização:
As bússolas True-Heading normalmente possuem um periodo após o
periodo de warm-up que não apresentam a sua precisão nominal. As
bússolas 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)
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18. Características das Bússolas
Resistência ao choque:
As operações off-shore em geral expõem os equipamentos a condições
bastante severas, choques durante a instalação, overboarding,
movimentação submarina, pouso no fundo e resgate dos equipamentos são
comuns. As Octans operam com até 30g.
Consumo do energia/Alimentação:
A alimentação durante as instalações são feitas por baterias, e estas devem
garantir o funcionamento por todo o período previsto. As Octans são
alimentadas entre 18V e 30V, uma bateria deep-sea de 24V 55AH a
mantém funcionando por aproximadamente 24 horas.
MTBF:
Tempo médio entre falhas, o tempo em que se espera que o instrumento
permaneça funcionando após a aquisição ou reparo. No caso das Octans é
de aproximadamente 30.000 horas
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19. Características das Bússolas
Campos Magnéticos:
Alguns tipos de bússolas podem sofrer influência de campos magnéticos
gerados ou concentrados pelas estruturas ou equipamentos empregados.
Partes móveis/estruturas vibrantes/mecânica fina:
As bússolas compostas de partes móveis como as giroscópicas ou que
possuem estruturas vibrantes podem sofrer mais com as características das
operações offshore como choques mecânicos, térmicos, etc. E
apresentarem 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 bússola
consegue acompanhar.
No caso da Octans é de 750°/s
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20. Cuidados na Instalação
Local de instalação:
Preferivelmente deve ser feita uma análise do manual com relação
aos fatores preponderantes, e também um estudo de caso em relação
a aplicação, porém deve ser escolhido um lugar com:
•Baixa vibração ou caso seja necessário um sistema de
amortecimento 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 a
umidade excessiva.
•No caso de bússolas que sofram influência de campos magnéticos,
deve ser evitado a montagem perto de equipamentos geradores de
campos magnéticos, cabos elétricos, grandes estruturas metálicas.
Deve ser feito uma correta calibração da bússola nesta situação.
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21. Cuidados na Instalação
Alimentação:
A alimentação deve ser mantida estável, sem cortes, quedas de
tensão ou picos. Caso a bússola seja alimentada por corrente
alternada, deve-se atentar para a frequência da rede, que deve
permanecer estável. Caso seja alimentada por corrente continua uma
fonte com boa filtragem deve ser empregada. Deve se atentar para a
corrente consumida.
Sinal:
Deve-se atentar as conexões dos cabos de sinal, seu comprimento,
bitola, tipo da porta de comunicação, isolação e evitar a proximidade
dos cabos de sinal com cabos de alimentação.
Indicação da Latitude:
Algumas bússolas True Heading necessitam da configuração do
valor da latitude de trabalho para reduzir o tempo de convergência e
melhorar a precisão.
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22. Cuidados na Instalação
Alinhamento:
O correto alinhamento da bússola com a linha de referência é
primordial. Um erro de alinhamento pode gerar um erro de cálculo
do posicionamento de todos os equipamentos.
Deve se atentar para o fato de que um erro de somente 0,1° no
alinhamento da bússola, pode resultar em um erro de medida de 5m
em uma distância de 3000m.
Firmeza na montagem:
Algumas montagens exigem que a bússola seja montada em um
sistema de amortecimento. Este sistema deve cumprir o seu papel
sem introduzir folgas angulares no sistema. Ou seja o amortecimento
deve permitir somente um deslocamento no sentido perpendicular a
base, restringindo qualquer movimento de rotação da bússola.
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23. Cuidados na Instalação
Alinhamento:
Como um pequeno erro no alinhamento pode causar um grande erro
no resultado de medições.
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24. Comunicação
Porta:
A maioria das bússolas se comunicam através de comunicação serial do tipo
RS-232C ou RS-422, deve se atentar para o número da porta e do padrão de
comunicação. Algumas tem varias portas de saída, e em alguns casos podem ser
configuradas.
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 de
frequência (Hz número de vezes por segundo).
A taxa de atualização deve permanecer maior ou igual a 4 vezes por segundo (4
Hz 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 a
necessária para manter a taxa de atualização informada, neste caso não é possível
prever o comportamento da porta, que pode causar erros aleatórios.
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25. Protocolo
A norma NMEA 0183 define os protocolos de comunicação para bússolas,
inclinômetros, DGPS, etc. O principal protocolo empregado na comunicação para
bússolas 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
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