Name: Protocolos de design, instrumentação e uso para monitoramento de pontos quentes em ondas térmicas distribuídas em bobinas elétricas usando multiplexação de sensores FBG (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-03-08T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 52 s
Description: Aprenda a monitorar pontos quentes térmicos em bobinas elétricas usando sensores FBG multiplexados. Este protocolo demonstra instalação, calibração e aplicação em motorette IEEE Classe H para avaliação de saúde de dispositivos.

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Este trabalho foi apoiado pelo Uk Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) HOME-Offshore: Holistic Operation and Maintenance for Energy from Offshore Wind Farms Consortium under grant EP/P009743/1.

1. Projeto do sensor térmico de fibra óptica
<ol><li>Primeiro identifique o design e as especificações do sensor com base na estrutura da bobina alvo e nas características do sistema de interrogatório. A bobina de ensaio utilizada neste trabalho tem uma geometria oval típica de bobinas de máquina elétrica (conforme ilustrado na Figura 1A. Antes que os locais de sensoriamento individuais sejam determinados, tome decisões de projeto para garantir que a fibra de sensoriamento óptico permaneça operacional no ambiente mecânico e térmico típico da aplicação da bobina de ferida embarcada.</li>
	<li>Use uma fibra padrão de modo único revestido de poliimida revestido de poliimida que é geralmente conhecida por ser capaz de operar em temperaturas de até aproximadamente 300 °C; esta fibra é, portanto, adequada para aplicação em bobinas de ferida usadas em máquinas elétricas convencionais. NOTA: A fibra óptica escolhida garante a funcionalidade do sensor no ambiente térmico de uma típica bobina de ferida aleatória que opera em máquinas elétricas como a utilizada neste trabalho (classe F e H com temperatura nominal de 155 e 180 °C10,respectivamente. A fibra insensível à dobra é preferível para esta aplicação, uma vez que foi projetada para permitir um pequeno raio de dobra e ter uma perda de dobra menor. Isso permite que o sensor esteja efetivamente conformado com a estrutura da bobina desejada e detectando locais com o mínimo efeito prejudicial à funcionalidade de sensoriamento.</li>
	<li>Coloque o comprimento da fibra em 1,5 m. NOTA: O comprimento da fibra é definido de acordo com a geometria da bobina da ferida alvo a ser instrumentada e a distância desejada para a unidade de interrogatório. O comprimento circunferencial da bobina de ensaio (mostrado na Figura 1A) é de 0,3 metros e o comprimento de fibra escolhido para interrogador da bobina é de 1,2 metros, dando um comprimento total de 1,5 m – isso permite que o comprimento suficiente da fibra seja enrolado dentro da bobina de teste para garantir que os locais de detecção desejados sejam devidamente estabelecidos e haja distância adequada entre a bobina de teste e o interrogador: A Figura 3A ilustra o comprimento geral do projeto. NOTA: A FBGSs pode ser localizada a vários quilômetros da unidade de interrogatório. Isso porque uma fibra óptica é um portador único eficiente.</li>
	<li>Projete a matriz FBG composta por quatro cabeças FBG (5 mm) para permitir a detecção distribuída dentro da estrutura da bobina para que dois locais de sensoriamento sejam posicionados nas laterais da bobina e dois nas extremidades da bobina. NOTA: Os locais de sensoriamento térmico são identificados com base em padrões de monitoramento térmico relevantes para máquinas elétricas (ou seja, 2 FBGS para seções de slot e 2 para seções de enrolamento final)10. O projeto do interrogador comercial utilizado neste trabalho pode permitir interrogatório simultâneo de até 16 pontos de detecção fbg para baixo de uma única fibra óptica.</li>
	<li>Use um fbg detecção de comprimento da cabeça de 5 mm; isso é considerado suficiente para permitir o monitoramento localizado de pontos quentes na corrente carregando bobinas aleatórias de feridas. NOTA: Valores comerciais alternativos do comprimento da cabeça fbg (3 mm, 5 mm ou 10 mm) também podem ser usados no caso de uma dimensão de ponto de sensor diferente ser exigida pela aplicação do sensor.</li>
	<li>Especifique cabeças fbg individuais a serem raladas com diferentes comprimentos de onda espaçados em uma largura de banda de 1529-60 nm para corresponder à classificação de interrogador comercial usada; isso garante a prevenção da interferência dos comprimentos de onda deslocados do FBG. NOTA: O FBG lidera o comprimento de onda, a largura de banda de mudança de comprimento de onda esperada e a variação de temperatura do aplicativo precisa estar dentro da largura de banda de banda larga da unidade de interrogatório para garantir que o sistema de sensoriamento possa funcionar corretamente.</li>
	<li>Use um tipo de conector de teste de fibra FC/APC, que é consistente com a unidade do interrogador. NOTA: FC/APC é geralmente a escolha preferida para o sensor FBG devido a baixas perdas de retorno.</li>
	<li>Fornecer o design e as especificações do sensor a um fabricante comercial de FBG - A Figura 3B mostra um esboço final do design da matriz FBG usado neste trabalho.</li>
</ol>2. Configuração do sistema de interrogatório e do sensor
<ol><li>Verifique e configure o sensor de matriz FBG projetado e fabricado para operar com o sistema de interrogatório comercial.</li>
	<li>Remova a tampa protetora do conector FC/APC ferrule.</li>
	<li>Limpe a face final do conector limpando-a suavemente com um limpador de conector óptico. NOTA: É altamente recomendável realizar esta etapa cada vez que o sensor estiver conectado ao interrogador. Neste trabalho foi utilizado um limpador óptico da série comercial Cletop-s.</li>
	<li>Conecte o conector limpo do teste FBG ao conector do canal do interrogador. NOTA: Certifique-se de que a chave está corretamente alinhada ao acasalar os conectores.</li>
	<li>Ligue o interrogador. NOTA: O interrogador está conectado ao PC através de um conector RJ45 e cabo de internet.</li>
	<li>Execute o software de configuração. NOTA: O software interrogador é um pacote de software baseado no LabVIEW proprietário fornecido pelo fabricante do interrogador projetado para permitir a operação da unidade de hardware do interrogador.</li>
	<li>Na guia de configuração do instrumento observe os espectros de comprimento de onda refletidos da sonda de matriz FBG (para o design de matriz FBG usado neste trabalho, quatro picos devem ser observados no espectro do canal relacionado). NOTA: A intensidade da luz refletida depende das características do FBG (acima de 50% é aceito).</li>
	<li>Defina a freqüência de amostragem para 10 Hz. Isso determina diretamente o número de leituras de temperatura fornecidas em um determinado período de 1 s. NOTA: O sistema de interrogatório usado pode operar em frequências de amostragem de até 2,5 kHz; no entanto, para a dinâmica térmica das bobinas de transporte atuais monitoradas neste trabalho de 10 Hz é considerada uma taxa de aquisição suficiente.</li>
	<li>Na configuração de medições, nomeie os chefes FBG como FBG1, FBG2, FBG3 e FBG4. Escolha o comprimento de onda como tipo de quantidade a ser apresentada graficamente nesta fase. A matriz FBG está configurada e pronta para a etapa de calibração.</li>
</ol>3. Preparação da embalagem
<ol><li>Empacote adequadamente as áreas onde as cabeças fbg são impressas (ou seja, raladas) na fibra da matriz para garantir o isolamento da cabeça de sensor de detecção da excitação mecânica e, assim, produzir exclusivamente sensor responsivo de excitação térmica. Além disso, a estrutura de fibras é frágil e não é desejável incorporá-la diretamente dentro dos condutores da bobina: requer proteção mecânica adequada para manter a integridade. Neste trabalho, a área de detecção contendo as quatro cabeças FBG que estão embutidas na estrutura da bobina é embalada com polietheretherketone (PEEK) e o restante da fibra é protegido por Teflon – isso é ilustrado na Figura 3C.</li>
	<li>Projete a embalagem na forma de um tubo capilar redondo estreito para que a fibra de detecção possa ser roteada e, portanto, protegida pelo capilar. NOTA: As dimensões capilare as propriedades térmicas são particularmente importantes no que diz respeito às embalagens da área que contém cabeças de sensoriamento FBG. É geralmente desejável garantir uma espessura de parede relativamente estreita e usar material que não seja eletricamente condutor, mas que forneça um grau razoável de condutividade térmica. O diâmetro externo do capilar PEEK utilizado neste trabalho foi de 0,8 mm e sua espessura de parede é de 0,1 mm.</li>
	<li>Prepare o capilar PEEK cortando o comprimento adequado da tubulação PEEK comercial (comprimento da estrutura da bobina alvo com alguns centímetros extras para permitir a inserção de fibras e teflon para peek preparação capilar da articulação). NOTA: A instrumentação in situ da matriz FBG requer a instalação da embalagem primeiro, que é então inserida com a fibra de sensoriamento. Deve-se tomar cuidado para garantir aberturas de extremidade capilar lisas e limpas.</li>
	<li>Faça medições cuidadosas da matriz FBG e do capilar PEEK para identificar com precisão os locais de detecção na superfície externa do capilar PEEK. Isso permite o posicionamento das cabeças de sensoriamento FBG em locais de destino dentro da bobina de teste da motocicleta.</li>
	<li>Prepare o capilar teflon cortando um comprimento adequado da tubulação comercial de Teflon para garantir que a seção de fibrafora da geometria da bobina de teste esteja protegida e contida. NOTA: O material de embalagem externa da seção de matriz não sensorial precisa ter rigidez suficiente para fornecer proteção mecânica adequada, mas também ser flexível para permitir uma conexão prática com o interrogador; também é desejável que este material seja imune à IEM nesta aplicação. Acredita-se que o teflon proporcione um desempenho satisfatório neste estudo, porém materiais alternativos podem ser aplicados.</li>
	<li>Prepare o comprimento apropriado do tubo de encolhimento para fazer a articulação entre os capilares PEEK e Teflon.</li>
</ol>4. Calibração térmica livre
<ol><li>Calibrar o sensor de matriz FBG embalado inserindo-o na câmara térmica para extrair sua discreta temperatura versus pontos de comprimento de onda. NOTA: De preferência, a área de detecção é moldada para corresponder à da estrutura da bobina alvo para fornecer calibração níveis de tensão semelhantes aos quando a embalagem está embutida na bobina de teste.</li>
	<li>Conecte a fibra óptica ralada ao interrogador e inicie a rotina de software do interrogador pré-configurado.</li>
	<li>Coloque o forno de câmara térmica para operar em uma seqüência de pontos de estado térmico estáveis – estes estão em uma faixa de ambiente de 170 °C e em etapas de cada 10 graus neste trabalho. Crie uma tabela a partir dos comprimentos de onda refletidos medidos de cada FBG individual na matriz para cada temperatura constante emulada na câmara. NOTA: É preciso ter tempo suficiente durante os testes de calibração para que o equilíbrio térmico seja alcançado em cada ponto térmico de estado estável examinado.</li>
	<li>Use as medidas de comprimento de onda deslocadas registradas versus temperatura em etapas de 10 °C para determinar as curvas ideais de ajuste de mudança de comprimento de onda de temperatura e seus coeficientes para cada FBG. A Figura 4 e a Tabela 1 mostram as medições dos dados de calibração registradas e a curva de ajuste calculada, respectivamente. NOTA: A relação entre a mudança de comprimento de onda e a variação de temperatura das cabeças de FBG na matriz é analisada por regressão quadrática polinomial neste trabalho, pois esta foi encontrada para proporcionar a caracterização ideal. A partir desta análise, calculam-se os coeficientes da curva de ajuste de ajuste de regressão quadrática polinomial11.</li>
	<li>Insira os coeficientes calculados na configuração relevante do software interrogador para permitir medições de temperatura on-line da matriz FBG.</li>
</ol>5. Construção da bobina de teste e instrumentação FBG
<ol><li>Primeira construção e instrumento a bobina de ferida aleatória motorette.<ol>
<li>Projete uma bobina sinuosa para caber no dispositivo de enrolador. NOTA: A geometria da bobina foi projetada para corresponder à geometria de giro desejada da bobina e garantir que as dimensões desejadas da bobina da ferida. A bobina foi projetada para ser facilmente desmontada para facilitar a remoção direta da bobina da ferida sem danificar seu isolamento.</li>
		<li>Coloque a bobina de fio de cobre esmaltada selecionada no dispositivo de enrolador e puxe o fio de cobre através dos rolos do enrolador e do controlador de tensão. NOTA: O fio de cobre esmaltado classe F é usado neste trabalho.</li>
		<li>Defina o contador de números do dispositivo de erolamento para zero.</li>
		<li>Coloque o enrolador para operar em baixa velocidade e controle a tensão desejada do fio.</li>
		<li>O vento metade da bobina gira.</li>
		<li>Coloque o capilar PEEK preparado no centro da bobina usando fita Kapton. NOTA: Deve-se tomar cuidado para garantir que os índices do capilar PEEK estejam posicionados nos locais de destino.</li>
		<li>Enrolar o resto da bobina vira.</li>
		<li>Remova a bobina da máquina de enrolador e desmonte para liberar a bobina da ferida embutida com um capilar PEEK.</li>
		<li>Coloque a bobina na armação da motorette. NOTA: O sistema de isolamento da bobina da motorette (isolamento de ranhura e cunhas de ranhura) deve ser instalado adequadamente com a bobina.</li>
		<li>Prepare os terminais da bobina e conecte-os aos terminais de motorette.</li>
		<li>Verniz a motorette usando um verniz sinuoso e coloque em um forno a uma temperatura apropriada (150 °C) para curar.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Instrumentação do array FBG:<ol>
<li>Primeiro conecte a matriz FBG ao interrogador; iniciar o software do interrogador para monitorar o comprimento de onda refletido fbg durante a instalação.</li>
		<li>Puxe a fibra através do tubo de encolhimento preparado.</li>
		<li>Insira cuidadosamente a fibra (área de detecção) no capilar PEEK até que as aberturas finais dos capilares Teflon e PEEK estejam em contato.</li>
		<li>Mova o tubo de encolhimento para cobrir as extremidades dos capilares e aqueça-o adequadamente até que o ajuste desejado seja alcançado.</li>
	</ol>
</li>
</ol>6. Na calibração e avaliação in situ
<ol><li>Valide a calibração térmica obtida na etapa 4 após a incorporação e corrija, se necessário. O teste também permite avaliar o desempenho da matriz FBG em condições térmicas estáticas controladas.</li>
	<li>Coloque a motorette embutida com a matriz térmica FBG no forno térmico. NOTA: O sensor térmico convencional pode ser usado para fins de comparação de desempenho. Aqui são utilizados os termopares instalados na superfície da bobina da motorette.</li>
	<li>Repita as etapas 4.3 e 4.4.</li>
	<li>Repita a etapa 4.5, incluindo a temperatura medida por cabeças FBG com base no ajuste calibrado na etapa 4.</li>
	<li>Avalie e compare as medidas de temperatura da matriz FBG com a temperatura de referência. Se o erro de medição for alto, a medição registrada na etapa 6.4 pode ser usada para atualizar a calibração.</li>
	<li>Tire a motorette do forno térmico; está pronto para testes.</li>
</ol>7. Testes
<ol><li>Faça um teste de condição térmica estática.<ol>
<li>Conecte a motorette à fonte de alimentação DC.</li>
		<li>Conecte a matriz FBG ao interrogador; monitorar e registrar suas medidas de temperatura FBG.</li>
		<li>Controle a fonte de alimentação DC para injetar a motorette com uma corrente DC. NOTA: O nível de corrente DC escolhido deve garantir que o aumento de T nos hotspots térmicos internos da bobina seja menor do que a temperatura de isolamento permitida; isso permite testes não destrutivos na bobina do protótipo.</li>
		<li>Interrompa as medições de gravação quando o equilíbrio térmico da bobina da motorette for atingido.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Realize um teste de condição térmica não uniforme.<ol>
<li>Enrolar a bobina externa contendo 20 voltas em torno de uma seção de bobina de teste selecionada.</li>
		<li>Conecte a bobina externa a uma fonte de alimentação DC separada.</li>
		<li>Energize a motorette com a corrente DC aplicada em 7.1.3.</li>
		<li>Comece a registrar as medidas térmicas assim que o equilíbrio térmico for atingido.</li>
		<li>Energize a bobina externa com uma corrente DC para fornecer condições térmicas não uniformes, fornecendo excitação térmica localizada na bobina de teste.</li>
		<li>Interrompa as medições de gravação assim que o equilíbrio térmico for atingido.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol><li>Stone, G. C., Boulter, E. A., Culbert, I., Dhirani, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrical+insulation+for+rotating+machines-design%2C+evaluation%2C+aging%2C+testing%2C+and+repair-Book+Review%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Electrical+Insulation+Magazine%22%5BJournal%5D)">Electrical insulation for rotating machines-design, evaluation, aging, testing, and repair-Book Review.</a> IEEE Electrical Insulation Magazine. 20 (3), 65-65 (2004).</li>
<li>Mohammed, A., Djurović, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stator+Winding+Internal+Thermal+Monitoring+and+Analysis+Using+In+Situ+FBG+Sensing+Technology%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Energy+Conversion%22%5BJournal%5D)">Stator Winding Internal Thermal Monitoring and Analysis Using In Situ FBG Sensing Technology.</a> IEEE Transactions on Energy Conversion. 33 (3), 1508-1518 (2018).</li>
<li>Zhang, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Online+thermal+monitoring+models+for+induction+machines%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Energy+Conversion%22%5BJournal%5D)">Online thermal monitoring models for induction machines.</a> IEEE Transactions on Energy Conversion. 30 (4), 1279-1287 (2015).</li>
<li>Mohammed, A., Djurović, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((FBG+array+sensor+use+for+distributed+internal+thermal+monitoring+in+low+voltage+random+wound+coils%5BTitle%5D)+AND+%222017+6th+Mediterranean+Conference+on+Embedded+Computing+%28MECO%29%22%5BJournal%5D)">FBG array sensor use for distributed internal thermal monitoring in low voltage random wound coils.</a> 2017 6th Mediterranean Conference on Embedded Computing (MECO). , Bar, Montenegro. 1-4 (2017).</li>
<li>Rao, Y. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In-fibre+Bragg+grating+sensors%5BTitle%5D)+AND+%22Measurement+Science+and+Technology%22%5BJournal%5D)">In-fibre Bragg grating sensors.</a> Measurement Science and Technology. 8 (4), 355(1997).</li>
<li>Mohammed, A., Djurović, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+study+of+distributed+embedded+thermal+monitoring+in+electric+coils+based+on+FBG+sensor+multiplexing%5BTitle%5D)+AND+%22Microprocessors+and+Microsystems%22%5BJournal%5D)">A study of distributed embedded thermal monitoring in electric coils based on FBG sensor multiplexing.</a> Microprocessors and Microsystems. 62, 102-109 (2018).</li>
<li>Lu, P., Men, L., Chen, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Resolving+cross+sensitivity+of+fiber+Bragg+gratings+with+different+polymeric+coatings%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">Resolving cross sensitivity of fiber Bragg gratings with different polymeric coatings.</a> Applied Physics Letters. 92 (17), 171112(2008).</li>
<li>Mohammed, A., Djurović, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((FBG+Thermal+Sensing+Features+for+Hot+Spot+Monitoring+in+Random+Wound+Electric+Machine+Coils%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Sensors+Journal%22%5BJournal%5D)">FBG Thermal Sensing Features for Hot Spot Monitoring in Random Wound Electric Machine Coils.</a> IEEE Sensors Journal. 17 (10), 3058-3067 (2017).</li>
<li>IEEE. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((IEEE+standard+test+procedure+for+thermal+evaluation+of+systems+of+insulating+materials+for+random-wound+AC+electric+machinery%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Std+117-2015%22%5BJournal%5D)">IEEE standard test procedure for thermal evaluation of systems of insulating materials for random-wound AC electric machinery.</a> IEEE Std 117-2015. , Revision of IEEE Std 117-1974 1-34 (2016).</li>
<li>IEC. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rotating+electrical+machines+-+Part+1%3A+Rating+and+performance%5BTitle%5D)+AND+%22IEC%22%5BJournal%5D)">Rotating electrical machines - Part 1: Rating and performance.</a> IEC. , IEC 60034-1 (2010).</li>
<li>Mohammed, A., Djurović, S., Smith, A. C., Tshiloz, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((FBG+sensing+for+hot+spot+thermal+monitoring+in+electric+machinery+random+wound+components%5BTitle%5D)+AND+%222016+XXII+International+Conference+on+Electrical+Machines+%28ICEM%29%22%5BJournal%5D)">FBG sensing for hot spot thermal monitoring in electric machinery random wound components.</a> 2016 XXII International Conference on Electrical Machines (ICEM). , Lausanne. 2266-2272 (2016).</li>
</ol>

Os autores não têm nada para revelar.

O trabalho demonstrou o procedimento necessário para projetar, calibrar e testar em sensores térmicos situ FBG em bobinas de ferida de baixa tensão. Esses sensores oferecem uma série de vantagens para aplicações in situ sensing dentro das atuais estruturas de bobinas de ferida que carregam: são totalmente imunes à IEM, são flexíveis e podem se adequar a uma geometria arbitrária desejada para fornecer locais de ponto de sensoriamento arbitrários desejados com alta precisão, e pode fornecer um grande número de pontos de detecção em um único sensor. Enquanto a detecção térmica dentro das bobinas da ferida pode ser alcançada com técnicas convencionais de monitoramento térmico que empregam detectores de temperatura termopar ou resistência, a aplicação de FBGs é mostrada para fornecer uma série de vantagens funcionais atraentes.
A embalagem adequada do sensor de matriz FBG é fundamental para sua utilização eficaz. É importante que as cabeças de sensoriamento individuais ou toda a área de detecção da fibra sejam adequadamente embaladas para garantir o isolamento das cabeças FBG da excitação mecânica em um capilar rígido, porém flexível, termicamente condutor. É desejável que o capilar seja projetado de material não condutor eletricamente, pois isso garante um ótimo desempenho no ambiente rico em IEM característico das bobinas de transporte atuais.
É necessário ter cuidado durante o processo de instalação capilar da embalagem na bobina para posicionar com precisão os segmentos da embalagem em seus respectivos locais de sensoriamento. Também é essencial otimizar a geometria capilar no caso de condições térmicas altamente dinâmicas serem observadas.
É vital garantir uma caracterização precisa do sensor embutido da bobina. Isso é melhor feito realizando a calibração gratuita do sensor embalado antes de sua instalação dentro da geometria da bobina da ferida. Embora um alto grau de proteção contra excitação mecânica seja fornecido pela embalagem in situ, o processo de instalação pode resultar em mudança de comprimento de onda devido à sensibilidade da tensão. Se realizada com cuidado, isso pode ser insignificante; no entanto, é uma boa prática para que isso seja apurado em testes de calibração in situ, sempre que possível.
Essa aplicação de FBGs dentro de bobinas de feridas é relativamente nova e abre uma série de oportunidades para melhor design, utilização, monitoramento e diagnóstico de saúde de máquinas elétricas. Mais trabalhos são necessários para reduzir o custo destes e torná-los uma opção credivelmente viável para aplicação em larga escala em máquinas elétricas.

Bobinas de feridas aleatórias são um elemento-chave de design da maioria dos aparelhos elétricos em sistemas industriais modernos e são comumente usadas em máquinas elétricas de baixa tensão. Uma grande barreira para o melhor uso de bobinas de feridas nessas aplicações é sua sensibilidade ao estresse eletrotérmico em serviço. As sobrecargas térmicas são particularmente pertinentes a este respeito, pois podem causar a quebra do sistema de isolamento da bobina de isolamento e, em última instância, a sua falha total1; isso pode surgir devido a níveis excessivos de corrente da bobina, ou outras causas, como uma falha elétrica da bobina ou um mau funcionamento do sistema de resfriamento, onde pontos quentes localizados são induzidos na estrutura da bobina levando à quebra do isolamento. A habilitação do monitoramento térmico distribuído in loco da estrutura interna de uma bobina em serviço permite o desenvolvimento de rotinas de manutenção baseadas em utilização e condição; permitiria a compreensão avançada e a identificação do estado de funcionamento das bobinas e de qualquer processo de degradação, condicionando, portanto, a ação corretiva baseada na condição para manter o estado de operação e prevenir ou retardar danos adicionais2,3.
O método apresentado visa permitir o monitoramento in situ de condições térmicas incorporadas da estrutura da bobina elétrica através do uso de sensores térmicos ópticos de interferência flexível e eletromagnética Bragg. O método oferece uma série de vantagens funcionais sobre as técnicas de monitoramento térmico existentes usadas em bobinas elétricas: estas quase invariavelmente dependem do uso de termopares (TCs) ou detectores de temperatura de resistência (RTDs) que não são imunes à IEM; são feitos de materiais condutores; e eles são geralmente razoavelmente volumosos, portanto, não são idealmente adequados para aplicações de sensoriamento dentro da estrutura de bobinas elétricas feridas. O uso de sensores térmicos fbg de fibra óptica robusta e flexível proporciona uma série de melhorias consideráveis neste aspecto, não apenas devido à imunidade do sensor EMI, mas também ao seu pequeno tamanho, capacidade multiplexante e sua flexibilidade, o que permite que eles sejam incorporados e se conformem a uma arquitetura arbitrária de bobinas de ferida para alcançar sensortérmico com precisão de ponto em locais estruturais desejados4. Essas características são especialmente atraentes em aplicações de máquinas elétricas (EM) onde os limites térmicos do dispositivo são definidos por condições térmicas de bobinas elétricas e são particularmente pertinentes à luz do crescimento considerável esperado no uso de EM com a proliferação do transporte elétrico.
Este artigo apresenta a metodologia de instrumentação de uma estrutura típica de bobina de ferida aleatória de baixa tensão com sensores térmicos fbg para permitir o monitoramento on-line de hotspots internos. Um protocolo detalhado da escolha do sensor FBG, design, embalagem, instrumentação, calibração e uso é relatado. Isto é apresentado em um sistema de bobina de bobina de ferida aleatória padrão iEEE. O artigo também relata as medidas térmicas in situ obtidas condição térmica estática e não uniforme da bobina de ensaio examinada.
Os FBGs são formados pelo processo de 'ralar' o núcleo de fibra óptica para criar impressões longitudinais periódicas (geralmente referidas como cabeças de sensoriamento em aplicações de sensoriamento FBG); quando a fibra que contém FBGs é exposta à luz ultravioleta cada cabeça de FBG existente fará com que seu índice de refração seja periodicamente modulado5. Os comprimentos de onda refletidos da cabeça de sensoriamento serão afetados pelas condições térmicas e mecânicas a que a fibra está exposta e, assim, permitirão que a fibra ralada seja aplicada como um sensor térmico ou mecânico assumindo design e aplicação adequados.
A tecnologia FBG é especialmente atraente para aplicações de sensoriamento distribuído: permite que uma única fibra óptica seja ralada para conter várias cabeças de detecção fbg, onde cada cabeça é codificada com um comprimento de onda Bragg distinto e age como um ponto de detecção distinto. Este tipo de dispositivo de sensor baseado em FBG é conhecido como um sensor de matriz FBG6 e seu conceito operacional é ilustrado na Figura 1. A luz de banda larga é usada para excitar a matriz, resultando em comprimentos de onda refletidos distintos de cada cabeça de FBG contida; aqui, cada cabeça reflete um comprimento de onda definido (ou seja, comprimento de onda bragg) que corresponde ao seu design de grade e também depende das condições térmicas e mecânicas predominantes na localização da cabeça (ou seja, sensoriamento). Um dispositivo interrogador é necessário para permitir a excitação da fibra de matriz com luz e a inspeção dos espectros refletidos para comprimentos de onda bragg distintos contendo informações sobre condições térmicas e/ou mecânicas localizadas.
Um aspecto particularmente importante da implementação do sensor térmico FBG é a mitigação de efeitos de sensibilidade cruzada termomecânico suscitados para obter o mais próximo possível das leituras exclusivamente térmicas7. A característica inerente ao FBG de sensibilidade cruzada termomecânica requer um design cuidadoso dos sensores FBG destinados apenas a aplicações térmicas ou mecânicas apenas de detecção. No caso do sensoriamento térmico, um método eficaz de mitigação da sensibilidade de excitação mecânica da FBG é isolar a cabeça sensorializada com um capilar de embalagem feito de material adequado para uma determinada aplicação; na aplicação de sensoriamento térmico embarcada na bobina examinada neste trabalho isso não apenas reduz os problemas de sensibilidade cruzada, mas também serve para proteger a frágil estrutura de fibras sensoriais da parte inferior e potencialmente destrutiva do estresse mecânico8.
A Figura 2A mostra a amostra de teste de bobina elétrica de ferida aleatória usada como veículo de demonstração neste artigo. A bobina é projetada de acordo com as normas9 do IEEE para procedimentos de avaliação térmica do sistema de isolamento de bobinas de feridas aleatórias; o sistema de teste resultante mostrado na Figura 2B é conhecido como um sistema motorette e é representativo de um enrolamento e seu sistema de isolamento em uma máquina elétrica de baixa tensão. No estudo de caso apresentado, o motorette será instrumentado com um sensor térmico de matriz FBG composto por quatro pontos de sensoriamento térmico, para emular pontos de interesse típicos de sensortérmico em aplicações práticas de máquinas que tendem a ser localizadas em enrolamento de bobinas e seções de ranhura. Para calibração e avaliação de desempenho, a motorette embarcada FBG será termicamente excitada usando uma câmara térmica comercial e uma fonte de alimentação DC.

<table><tbody><tr><td>Cletop-S</td><td>Fujikura</td><td>14110601</td><td>Limpador de conector óptico comercial</td></tr><tr><td>Fio de cobre AWG24</td><td>RS</td><td>357-744</td> Fonte de alimentação DC <td>de fio de cobre isolado comercial</td></tr><tr><td></td><td>TTi</td><td>CPX400SP</td><td>Fonte de alimentação DC comercial de 420W</td></tr><tr><td>Sensores</td><td>FBG ATGratings</td><td>NA</td><td>Matriz FBG fabricada comercialmente para projetar especificações</td></tr><tr><td>Tubulação termorretrátil</td><td>RS</td><td>700-4532</td><td>Tubo termorretrátil 3mm Sleeve Dia. x 10m</td></tr><tr><td>Fita adesiva Kapton</td><td>RS</td><td>436-2762</td><td>Fita adesiva laranja Tesa 51408</td></tr><tr><td>Tubo PEEK</td><td>Polyflon</td><td>4901000060</td><td>Tubo PEEK comercial</td></tr><tr><td>SmartScan04</td><td>Smartfibres UK</td><td>S-Scan-04-F-60-U-UK</td><td>Sistema interrogador comercial</td></tr><tr><td>Forno térmico</td><td>Lenton</td><td>WHT6/30</td><td>Máquina de enrolar forno térmico comercial</td></tr><tr><td></td><td>RS</td><td>244-2636</td><td>Máquina de enrolar comercial</td></tr></tbody></table>

protocolos de design, instrumentação e uso para monitoramento de pontos quentes em ondas térmicas distribuídas em bobinas elétricas usando multiplexação de sensores fbg

Design, Instrumentation and Usage Protocols for Distributed In Situ Thermal Hot Spots Monitoring in Electric Coils using FBG Sensor Multiplexing

Bobinas de feridas aleatórias são um elemento operacional chave da maioria dos aparelhos elétricos em sistemas industriais modernos, incluindo máquinas elétricas de baixa tensão. Um dos principais gargalos atuais na melhor exploração de dispositivos elétricos é a alta sensibilidade de seus componentes de feridas ao estresse térmico em serviço. A aplicação de métodos convencionais de sensoriamento térmico (por exemplo, termopares, detectores de temperatura de resistência) para monitoramento de condições térmicas de bobinas de feridas aleatórias que carregam correntes pode impor limitações operacionais consideráveis devido ao tamanho do sensor, EMI sensibilidade e a existência de material eletricamente condutor em sua construção. Outra limitação substancial existe em aplicações de sensoriamento distribuído e é causada pelo que é muitas vezes um comprimento considerável e volume de cabos convencionais de fiação do sensor.
Este artigo relata o projeto de um sistema de detecção FBG de fibra óptica destinado a permitir o monitoramento de condições térmicas internas distribuídas em tempo real dentro de bobinas aleatórias de feridas. O procedimento de instrumentação aleatória da bobina de ferida com o sistema de sensoriamento FBG é relatado em um estudo de caso em uma bobina de ferida padrão do IEEE representativa das utilizadas em máquinas elétricas. O trabalho relatado também apresenta e discute importantes aspectos práticos e técnicos da implementação e aplicação do sistema de sensoriamento FBG, incluindo o projeto de geometria da matriz FBG, a detecção de head e fibras, a instalação do conjunto de sensores e procedimento de calibração e o uso de um sistema de interrogatório comercial para obtenção de medidas térmicas. Finalmente, o desempenho de monitoramento térmico do sistema de sensoriamento FBG multiplexado in situ é demonstrado em condições térmicas estáticas e dinâmicas representativas.

A Figura 5 apresenta as temperaturas medidas pelo sensor de matriz no teste térmico estático. As quatro leituras de temperatura interna, feitas pelas respectivas cabeças fbg em locais correspondentes da bobina, são observadas como semelhantes, como é geralmente esperado para as condições de teste examinadas; há uma pequena variação entre a medição individual relatada de menos de ¥1,5 °C entre as temperaturas médias observadas de hotspot de ¥75,5 °C.
A Figura 6 relata as medidas do sensor de matriz obtidas no teste de condição térmica não uniforme. Estes são mostrados primeiro para o período em que não há excitação na bobina externa (primeiro ¥75s) indicando níveis térmicos medidos de perto uniformes, como seria de esperar. A bobina externa é então excitada resultando em excitação térmica localizada adicional: isso resulta em uma clara mudança nas medidas observadas, com o ponto de detecção na proximidade mais próxima da bobina externa (ou seja, FBG4) medindo o nível térmico mais alto (¥128,6 °C) e que mais distante o menor (¥117,6 °C); os sensores de temperatura FBG localizados entre estes relatam níveis de temperatura intermediários e muito semelhantes (¥122,7 e ¥121,6 °C). As leituras observadas referem-se claramente à distribuição individual da cabeça na geometria da bobina de ensaio examinada. Além disso, os resultados demonstram claramente a capacidade funcional do sensor de matriz embarcada da bobina para monitoramento e identificação da distribuição de hotspottérmico sumido interno em bobinas aleatórias de feridas.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59923/59923fig1.jpg"> Figura 1. O conceito operacional do sensor de matriz FBG. Este número foi modificado de uma publicação anterior4. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59923/59923fig1large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59923/59923fig2.jpg"> Figura 2. Conjunto de bobinas de motorette padrão IEEE. (A) Bobina elétrica de ferida aleatória; ver as normas IEEE9. (B) Motorette padrão IEEE montada e envernizada. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59923/59923fig2large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59923/59923fig3.jpg"> Figura 3. Design do conjunto de sensores térmicos FBG. ( A ) Comprimentodafibra da matriz FBG,(B)Locais de cabeça fbg na estrutura da matriz, (C) FBG array design de embalagem. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59923/59923fig3large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59923/59923fig4.jpg"> Figura 4. O sensor de matriz empacotado FBG lidera as características de calibração. As características são derivadas dos dados obtidos nos testes de calibração térmica livres da matriz. Este número foi modificado de uma publicação anterior4. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59923/59923fig4large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59923/59923fig5.jpg"> Figura 5. Medições térmicas da matriz FBG obtidas em teste de condição térmica de estado estável. As medidas térmicas individuais da cabeça relatadas pelo sensor de matriz FBG são mostradas com uma visão de medição de estado estável de detalhes de inset. Este número foi modificado de uma publicação anterior4. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59923/59923fig5large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59923/59923fig6.jpg"> Figura 6. Medições térmicas no teste de condição térmica não uniforme. Este número foi modificado de uma publicação anterior4. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59923/59923fig6large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1"><tbody>
<tr>
<td></td>
			<td colspan="2">Interceptar</td>
			<td colspan="2">B1</td>
			<td colspan="2">B2</td>
			<td>Estatísticas</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>Valor</td>
			<td>Erro padrão</td>
			<td>Valor</td>
			<td>Erro padrão</td>
			<td>Valor</td>
			<td>Erro padrão</td>
			<td>Adj. R-Square</td>
		</tr>
<tr>
<td>FBG1</td>
			<td>1555.771</td>
			<td>0.0137</td>
			<td>0.00855</td>
			<td>2.85E-04</td>
			<td>1.50E-05</td>
			<td>1.34E-06</td>
			<td>0.99978</td>
		</tr>
<tr>
<td>FBG2</td>
			<td>1547.669</td>
			<td>0.0112</td>
			<td>0.00851</td>
			<td>2.34E-04</td>
			<td>1.41E-05</td>
			<td>1.10E-06</td>
			<td>0.99985</td>
		</tr>
<tr>
<td>FBG3</td>
			<td>1539.852</td>
			<td>0.0101</td>
			<td>0.00871</td>
			<td>2.11E-04</td>
			<td>1.30E-05</td>
			<td>9.90E-07</td>
			<td>0.99988</td>
		</tr>
<tr>
<td>FBG4</td>
			<td>1531.768</td>
			<td>0.0131</td>
			<td>0.00808</td>
			<td>2.72E-04</td>
			<td>1.67E-05</td>
			<td>1.28E-06</td>
			<td>0.9998</td>
		</tr>
</tbody></table>Tabela 1: Parâmetros de curva qudrática polinômio calculados. Os parâmetros calculados erro padrão e coeficientes individuais de correção da cabeça são incluídos; boa linearidade e coeficiente de fator de cooreção superior a 0,999 para os quatro chefes de FBG testados. Esta tabela foi modificada de uma publicação anterior4.

Este artigo apresenta um protocolo que permite a instrumentação de bobinas elétricas de feridas aleatórias com sensores térmicos de fibra Bragg grating (FBG) para fins de monitoramento de condições distribuídas de pontos quentes térmicos internos.

Protocolos de design, instrumentação e uso para monitoramento de pontos quentes em ondas térmicas distribuídas em bobinas elétricas usando multiplexação de sensores FBG

Random wound coils are a key operational element of most electric apparatus in modern industrial systems, including low voltage electric machines. One of ...

O monitoramento de pontos térmicos dentro das bobinas elétricas é fundamental na área de condução de energia, pois permite uma compreensão muito melhor da saúde do dispositivo, da vida útil restante e da proximidade com os limites de projeto. A técnica motora permite o monitoramento instituído de pontos térmicos dentro da estrutura elétrica enrolada com base na aplicação de imune eletromagnética multiplexada e potência por sensoriamento de fibra óptica. O desempenho avançado de sensoriamento FPG descrito neste vídeo é único e não pode ser muito parecido com a aplicação de sensores convencionais, como casais térmicos ativos ou a aplicação de técnicas de estimativa térmica baseadas em resistência.Os sensores FBG são inerentemente responsivos à excitação térmica e mecânica e são frágeis. Assim, sua aplicação para sensoriamento térmico próximo com estruturas de bobina elétrica requer um procedimento especial que é explicado neste protocolo. Primeiro identifique o design e as especificações do sensor com base na estrutura da bobina alvo e nos recursos do sistema de interrogatório.A bobina de teste mostrada aqui é uma motorette classe H padrão típica de bobinas de máquina elétrica. Ao projetar a tela de detecção, certifique-se de que a fibra de sensoriamento óptico permaneça operacional nos ambientes térmico e mecânico típico das aplicações de detecção da bobina ferida. O uso da fibra padrão de poliamida insensível garante que o sensor seja capaz de operar em temperaturas superiores a 200 graus Celsius e que tenha as propriedades mecânicas que permitem que ele seja dobrado para se adequar a uma geometria desejada da bobina.Nesta aplicação, quatro pontos de sensoriamento térmico devem ser instalados em quatro locais de centro transversal de bobina de teste. Os locais de detecção individuais são identificados com base em seus padrões latentes de monitoramento térmico para máquinas elétricas. A distância entre as cabeças de sensoriamento é baseada na geometria da bobina e nos locais de detecção escolhidos.Em seguida, especifique cabeças FBG individuais de cinco milímetros de comprimento e classificadas com diferentes comprimentos de onda espaçados em uma largura de banda de 1529 a 1560 nanômetros para corresponder à classificação de interrogador comercial usado e para evitar interferências de comprimentos de onda deslocados. Aqui o comprimento total da fibra é especificado para 1,5 metros. Os 1,2 metros iniciais são embalados em Teflon e permitem a conexão com o dispositivo interrogador externo.O comprimento adicional de 3 metros contém as quatro cabeças de sensoriamento não embaladas. Mostrado neste vídeo está o sensor de matriz especificado, que foi fabricado comercialmente. Primeiro, remova a tampa protetora do conector FC/APC feral.Em seguida, limpe a face final do conector limpando-a suavemente com um limpador óptico do conector. Em seguida, certifique-se de que a keyway está corretamente alinhada e conecte o conector da sonda FBG limpa ao conector do canal do interrogador. Ligue o interrogador e execute o software de configuração.Na guia de configuração do instrumento, observe os espectros de comprimento de onda refletidos da sonda de matriz FBG. Quatro picos devem ser observados no espectro de canais relacionados. No software, defina a frequência de amostragem para 10 Hertz e estabeleça limites de espectro entre FBG para evitar interferências de medição.Em seguida, na configuração de medição, nomeie as cabeças FBG como FBG-1, FBG-2, FBG-3 e FBG-4. Escolha os comprimentos de onda como um tipo de quantidade a ser apresentada graficamente nesta fase. Embale adequadamente a área de detecção onde as cabeças FBG são impressas na fibra de matriz usando uma capilarização de espia.Isso protegerá a fibra de vidro e garantirá que a cabeça de sensoriamento esteja isolada da excitação mecânica e produzirá um sensor exclusivo de excitação térmica. Corte um comprimento adequado de tubo de espiada comercial ao comprimento da estrutura da bobina alvo com alguns centímetros extras para permitir a inserção de fibras e para cobrir o Teflon para espiar a articulação capilar. Em seguida, faça medições cuidadosas da matriz FBG e do capilar de espiar para identificar com precisão os locais de detecção na superfície externa do capilar de espiar.Isso permite o posicionamento das cabeças de sensoriamento FBG em locais alvo dentro da bobina de teste de motorette. Em seguida, prepare um tubo de encolhimento de tamanho apropriado para uso posterior. Insira a área de detecção de fibras no capilar de espiar e mantenha a conexão peek e Teflon usando fita capton.Calibrar o sensor de matriz FBG embalado inserindo-o na câmara térmica para extrair sua temperatura discreta versus pontos de comprimento de onda. A área de detecção de matriz FBG é formada com base na geometria da bobina. Em seguida, conecte a fibra óptica classificada ao interrogador e inicie a rotina de software de interrogador pré-configurado.Opere o forno em uma sequência de pontos de estado estável térmico, crie uma tabela a partir dos comprimentos de onda reflexivos medidos de cada FBG individual na matriz. Para cada temperatura constante, emule-a na câmara. Em seguida, use o comprimento de onda deslocado registrado versus as medidas de temperatura para determinar as curvas de ajuste de ajuste de comprimento de onda de comprimento de onda de temperatura ideal e seus coeficientes para cada FBG.Insira os coeficientes calculados nas configurações relevantes do software interrogador para permitir medições de temperatura on-line do array FBG. Primeiro, construa e instrumental a bobina de ferida aleatória da motorette. Para isso, defina a bobina de fio esmaltada classe H selecionada no dispositivo winder e enrole metade da bobina gira em baixa velocidade.Em seguida, encaixe o capilar de espia preparado no centro da bobina usando fita capton. Uma vez bem posicionado, enrole o resto da bobina gira. Coloque a bobina finalizada na estrutura do motorizado.Em seguida, amarre a bobina do motorete e os enrolamentos. Com a matriz FBG conectada ao interrogador, insira cuidadosamente a fibra da área de detecção no capilar de espiar até que as aberturas finais de Teflon e capilares de espiar estejam em contato. Mova o tubo de encolhimento para cobrir as extremidades capilares e cabeça-a adequadamente até que o ajuste desejado seja alcançado.Para iniciar o teste estático, conecte o motorete a uma fonte de alimentação DC e conecte a fonte de alimentação DC para injetar o motorette com uma corrente DC. Regisões recordes até que o equilíbrio térmico da bobina motora seja atingido. Em seguida, realize um teste de condição térmica não uniforme.Para este teste, primeiro enrole a bobina externa contendo 20 voltas em torno de uma seção de bobina de teste selecionada. Com a bobina externa conectada a uma fonte de alimentação DC separada, energize a motorette com a mesma corrente DC usada no teste estático. Uma vez alcançado o equilíbrio térmico, comece a registrar medições térmicas.Por fim, energize a bobina externa com uma corrente DC para fornecer uma condição térmica não uniforme, fornecendo excitação térmica localizada na bobina de teste. Pare de registrar as medições assim que o equilíbrio térmico for atingido. Durante este teste térmico estático representativo, as quatro leituras internas de temperatura foram feitas por respectivas cabeças FBG em seus locais correspondentes de bobina.As leituras são intimamente semelhantes com uma ligeira variação entre as medidas individuais registradas de menos de 1,5 graus Celsius. Uma vez que a bobina externa de giro 20 estava animada, para emular uma condição de bobina não uniforme dentro da estrutura da bobina, observou-se uma clara mudança nas medidas térmicas com a redistribuição da temperatura interna da bobina. O ponto de detecção e a proximidade mais próxima da bobina externa, FBG4, mediu o nível térmico mais alto e o ponto de sensoriamento mais distante, FBG 2, medido o menor.As leituras observadas relacionam-se claramente com variações na distribuição individual da cabeça sensoriada, a geometria da bobina de teste examinada. Isso demonstra a capacidade funcional do sensor de matriz embutido em bobinas de monitorar e identificar distribuições de pontos quentes térmicos em bobinas de feridas aleatórias. Neste vídeo, demonstramos como uma única fibra óptica usando tecnologia FBG pode permitir medições distribuídas de pontos quentes térmicos dentro da estrutura de uma bobina elétrica.Conseguir isso será extremamente desafiador usando sensores convencionais. Para garantir medidas precisas, tome um cuidado especial com os procedimentos de embalagem, instalação, calibração. Estes são necessários para mitigar a sensibilidade cruzada fbg mecânica térmica, proteger a fibra e permitir que leituras térmicas confiáveis sejam tomadas.A técnica relatada oferece novas oportunidades para o desenvolvimento de aplicações dedicadas de monitoramento térmico in situ em dispositivos de conversão de energia onde sensores convencionais são desafiados.

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