basico gyro

Básico sobre Bússolas

(Gyro)

João Kruly Frediani (UPP4)US-SUB/GDS06/11/2008

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Definição

Bússolas. 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 GyrocompassAlemão: Kompass/Kompaß Kreiselkompass/Kreiselkompaß Espanhol: Brújula Girocompás Francês: Boussole

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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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Bússola FluxgateBaseado 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.

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Problemas no princípio do campo magnético

As bússolas magnéticas apontam para o norte magnético e não para o verdadeiro.A diferença entre o norte verdadeiro e o magnético é a chamada declinação magnética.

A localização dos pólos variam

ao longo do tempo.

A declinação magnética e a intensidade do campo variam em função do

tempo e da localização.

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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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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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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 pelaAnschütz

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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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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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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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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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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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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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Bússola Fibra Óptica

•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

A Petrobras tem adotado como ideal para suas operações críticas a utilização das bússolas FOG.

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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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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.

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1 3001 6001 9001 12001 15001 18001 21001 24001

Tempo (sec)

He

ad

ing

(d

eg

)

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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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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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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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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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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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Alinhamento:Como um pequeno erro no alinhamento pode causar um grande erro no resultado de medições.

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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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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>

Ex:$HEHDT,207.1,T*2B $GPHDT,000.0,T*29$HEHDT,342.7,T*2D

<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

-- dois caracteres que podem ou não existir

$ - Caracter fixo

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