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1. WO2017093921 - FUEL TANK WITH INTEGRATED LEVEL SENSORS, IN PARTICULAR FOR AIRCRAFT

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D E S C R I Ç Ã O

TANQUE DE COMBUSTÍVEL COM SENSORES DE NÍVEL INTEGRADOS,

EM PARTICULAR PARA VEÍCULOS ÁEREOS

Domínio técnico

[0001] A presente descrição diz respeito a um tanque de combustível, em particular um tanque de combustível para aeronave, nomeadamente em material compósito, utilizando sensorização integrada ou embebida, para leitura da quantidade de combustível existente.

Antecedentes

[0002] O documento US2015274005 divulga um tanque de combustível que inclui: um reservatório de combustível; um sensor de deteção de nível de líquido disposto numa orientação vertical dentro do tanque de combustível e configurado de tal modo que uma capacitância do sensor de deteção de nível de líquido varia em função de uma gama em que o combustível está em contacto com o sensor de deteção do nível do líquido; um elemento tubular que se estende verticalmente e lateralmente em torno do sensor de deteção de nível de líquido; um membro de armazenamento de combustível que comunica com o interior do elemento tubular e o interior do tanque de combustível através de uma porta de entrada de combustível / saída e configurado para armazenar o combustível no interior do tanque de combustível.

[0003] O documento US2015274005 não se adequa ao uso em veículos, em particular veículos aéreos, porque não consegue medir o volume de combustível de forma precisa quando o tanque não se encontra perfeitamente horizontal, e não tem em conta a possibilidade do líquido estar a oscilar devido ao movimento do veículo.

[0004] O documento GB752699A divulga um tanque de combustível com medição do conteúdo fluido de um recipiente irregular, através da utilização de um condensador, tendo o fluido como o seu dielétrico, e tendo um elétrodo com uma forma tal que o nível da superfície de contacto do elétrodo com o fluido é proporcional à área de superfície do fluido a esse nível, e em que uma relação linear é obtida entre a capacidade e quantidade de fluido. O condensador de medição compreende membros cilíndricos verticais e coaxiais, sendo coberto com um material condutor, mas com aberturas para permitir que o fluido passe para o espaço entre os membros e o seu interior, que tem uma camada condutora perfilada num membro de isolamento rígido. No seu circuito, a tensão medida no condensador é comparada com uma referência, sendo que qualquer desequilíbrio de tensão é amplificado e alimentado a um servomotor, equilibrando a referência e ajustando a tensão entre os braços de referência, e também acionando um indicador, que indica o conteúdo de fluido do tanque.

[0005] O documento GB752699A não se adequa ao uso em veículos, em particular veículos aéreos, porque não mede o volume de combustível de forma precisa quando o tanque não se encontra perfeitamente horizontal, e não tem em conta a possibilidade do líquido estar a oscilar devido ao movimento do veículo.

[0006] Estes factos são descritos de forma a ilustrar o problema técnico resolvido pelas realizações do presente documento.

Descrição Geral

[0007] A presente divulgação compreende um tanque de combustível de uma aeronave, em material compósito, utilizando sensorização integrada ou embebida para leitura da quantidade de combustível existente.

[0008] A presente divulgação surge da necessidade de redução de peso, fator de importância crítica em estruturas aeronáuticas e ainda a determinação precisa do nível de combustível.

[0009] A presente divulgação compreende a utilização de diferentes configurações de sensores embutidos em laminados compósitos com materiais de composições

distintas. São possíveis diversas sequências de laminações e orientações de fibras compósitas, bem como diferentes materiais e variação na ordem de empilhamento dos materiais. Por forma a integrar-se sensores em componentes compósitos de fibra de carbono, como um tanque aeronáutica, descrevem-se laminados compreendendo o empilhamento de camadas de fibra de vidro embebidos em epóxi. Considerando a dificuldade de integração de um sensor diretamente no compósito em fibra de carbono foi utilizada, numa realização, placa monolítica de fibra de vidro, permitindo a produção de placas à medida do sensor a instalar sem afetar a produção do componente constituinte da estrutura do tanque de combustível.

[0010] Ao longo da descrição e reivindicações a palavra "compreende" e variações da palavra, não têm intenções de excluir outras características técnicas, como outros componentes, ou passos. Objetos adicionais, vantagens e características da divulgação irão tornar-se evidentes para os peritos na técnica após o exame da descrição ou podem ser aprendidos pela prática da divulgação. Os seguintes exemplos e figuras são fornecidos como forma de ilustrar, e não têm a intenção de serem limitativos da presente divulgação. Além disso, a presente divulgação abrange todas as possíveis combinações de formas de realização particulares ou preferenciais aqui descritas.

Breve descrição das figuras

[0011] Para uma mais fácil compreensão, juntam-se em anexo as figuras, as quais representam realizações preferenciais que não pretendem limitar o objeto da presente descrição.

Figura 1: Representação esquemática de uma realização do esquema de uma forma de realização de um sensor interdigitado.

Figura 2: Representação esquemática de uma realização da esquematização da configuração dos sensores integrados, nomeadamente em placa ou laminado monolítico de fibra de vidro em que 21 representa sensor (de nível, de temperatura, NFC TAG), 22 representa substrato PET do sensor de nível, 23 representa laminado de fibra de vidro, 24 representa cabo de sensor (de nível, de temperatura) e 25 representa componente compósito em fibra de carbono.

FOLHA DE SUBSTITUIÇÃO (REGRA 26)

Figura 3A-B: Representação esquemática de uma realização da disposição geométrica dos sensores no tanque de combustível.

Figura 4: Representação esquemática de uma realização do depósito com Identificação da numeração dos sensores.

Figura 5: Representação esquemática da nomenclatura roll e pitch.

Figura 6: Representação esquemática de uma realização dos provetes de compósito com fibra de vidro (centro amarelo) na superfície de compósito com fibra de carbono.

Figura 7: Representação esquemática de uma realização da geometria final do sensor interdigitado.

Figura 8A-B: Representação esquemática de uma realização de um esquema da integração do NFC TAG sem shielding de ferrite em que 51 representa sensor NFC TAG, 52 representa fibra de vidro e 53 representa estrutura compósita de fibra de carbono.

Figura 9: Representação esquemática de uma realização da disposição de sensores de nível e temperatura em que 91 representa sensor (de nível, de temperatura), 92 representa substrato PET do sensor de nível, 93 representa laminado de fibra de vidro, 94 representa cabo de sensor e 95 representa componente compósito em fibra de carbono. C = 1 mm (referência); D = 2 mm.

Figura 10: Representação esquemática de uma realização da esquematização da integração do sensor integrada na fibra de vidro.

Figura 11: Representação esquemática de uma realização da esquematização da integração do NFC TAG

Figura 12: Representação esquemática de uma realização do fluxo de dados.

Figura 13: Representação esquemática de uma realização do depósito de combustível em que a mancha escura representa a geometria do volume de combustível que se encontra no depósito.

Figura 14: Representação esquemática de uma realização da filtragem da massa do combustível.

Figura 15: Representação esquemática da capacidade medida no sensor instalado num substrato de compósito de fibra de vidro, para diferentes níveis de combustível com e sem o compósito de fibra de carbono (condutor) ligado à terra.

FOLHA DE SUBSTITUIÇÃO (REGRA 26)

Descrição detalhada

[0012] N uma realização os sensores capacitivos utilizados são interdigitados dado que têm uma grande sensibilidade e permitem, através da variação das suas dimensões, ajustar os valores de capacitancia medidos. Pa ra a construção dos sensores capacitivos impressos podem ser utilizadas diferentes técnicas, tendo no decurso da tarefa sido utilizada a técnica de screen printing para impressão dos elétrodos de material condutor, neste caso prata, sobre o substrato desejado. Numa realização, os sensores foram impressos em PET para os ensaios de definição de geometria.

[0013] N uma realização, a construção dos sensores pode seguir os seguintes passos:

1. Impressão dos elétrodos com equipamento de screen printing, com tinta de prata sob o substrato de PET.

2. Cura da tinta à temperatura de 130°C durante 15 minutos.

3. Encapsulamento do sensor com outra folha de PET com um adesivo térmico que cola as duas folhas de PET após laminagem, ficando o sensor protegido.

4. Recorte dos sensores de acordo com as dimensões requeridas (0,2 a 2 mm de margem).

5. Os contactos são feitos por exemplo crimping, e são soldados cabos próprios para o seu manuseamento a temperaturas mais altas. Os cabos são protegidos por shielding.

[0014] N uma realização, a distribuição geométrica dos sensores de nível no tanque é um dos principais fatores que determinam a precisão do sistema de medição da quantidade de combustível. De forma a definir uma distribuição de sensores de nível impressos no interior do depósito que permita a sensorização permanente do nível de combustível, para diferentes atitudes da aeronave, diferentes abordagens foram analisadas.

[0015] Considerando uma distribuição que conjugue redundância do sistema com a capacidade de medir o nível de combustível para diferentes atitudes, minimizando o número de sensores necessários, foi desenvolvida uma estrutura baseada no princípio da sensorização da totalidade das arestas do depósito. Esta opção tem por base a consideração que o volume de qualquer sólido geométrico pode ser calculado a partir dos comprimentos das suas arestas. Tal comprimento pode ser obtido partindo do sinal de output de cada um dos sensores interdigitados. Dada a geometria selecionada, numa realização, para sensorizar todas as arestas do modelo de depósito considerado são necessários dezasseis sensores a funcionar independentemente, como se pode observar no esquema representado na Figura 3 e Figura 4.

[0016] Numa realização, a distribuição considerada para os sensores, torna o sistema redundante quando conjugada com os dados da atitude da aeronave, informação que pode ser obtida a partir de instrumentação independente, permitindo melhorar a robustez e precisão das medidas efetuadas. Esta distribuição apresenta ainda a vantagem de, por exemplo, para atitudes nas quais os ângulos de pitch ou roll da aeronave são zero, existem sempre sensores totalmente submersos, possibilitando dessa forma a medição da constante dielétrica do combustível a ser usada na calibração do sistema. Noutras situações, não é necessário que os ângulos de pitch ou roll da aeronave sejam ambos zero, bastando que apenas um sensor esteja totalmente submerso para se poder aferir a medição. Esta medição da constante dielétrica dá a indicação do tipo de combustível que está a ser utilizado. Na Figura 4 é identificada a numeração dos sensores. A determinação que um sensor está submerso pode ser feita a partir dos próprios dados de capacitância obtidos pela leitura dos sensores, dispensando o uso dos dados da atitude da aeronave.

[0017] Numa realização, a compatibilização dos diversos sensores e a estrutura do depósito, nomeadamente no que diz respeito às ribs estruturais, levam à existência de volumes máximos e mínimos de combustível acima dos quais não é possível a sensorização. Esta limitação é algo inerente aos depósitos de combustível utilizados atualmente, dado que em condições de operação normais estes ficam sempre com um nível de combustível residual que não é sensorizado ou utilizado.

[0018] Numa realização, tendo em vista a utilização desta disposição dos sensores, foi necessário encontrar um método de cálculo do volume que permita, partindo das

capacidades obtidas em cada sensor, determinar o volume de combustível para as diferentes atitudes da aeronave. O cálculo do volume do polígono irregular pode ser calculado decompondo o polígono em pirâmides que partilham um ponto em comum (localizado no interior ou na superfície do polígono). Somando os volumes destas pirâmides podemos calcular o volume do polígono original. É necessário identificar as coordenadas dos vértices e identificar os vértices presentes em cada face.

[0019] N uma realização, os outputs de cada sensor podem, de acordo com a geometria e posição do sensor, bem como da geometria do depósito, ser convertidos nas coordenadas dos vértices formados pelo líquido, possibilitando dessa forma o cálculo do seu volume.

[0020] Os ensaios foram efetuados nos sensores capacitivos interdigitados impressos por screen printing, o substrato utilizado foi o Politereftalato de etileno (PET), tendo o mesmo material sido utilizado como encapsulante do sensor.

[0021] Habitualmente, um depósito de aeronave é constituído por alumínio ou material compósito, ambos com propriedades condutoras. A influência do material compósito condutor, que estaria ligado ao potencial da terra/massa da aeronave, obrigou à integração do sensor afastado da placa de compósito de carbono numa realização da presente divulgação. Nesse sentido colocou-se uma camada de compósito de fibra de vidro (isolante elétrico e sem ligação à terra/massa) com uma espessura bem definida.

[0022] N uma realização, o material compósito de fibra de carbono com camada de compósito de fibra de vidro está apresentado na figura anterior. Foram efetuados ensaios e como neste caso o sensor não estaria em contacto com o compósito de fibra de carbono, devido à existência de uma camada de um material isolador de espessura considerável entre os dois, era espectável que não iria haver interferência nas medições da capacidade do sensor. Os resultados estão apresentados na Figura 15.

[0023] N uma realização, a camada intermédia de fibra de vidro entre o compósito condutor e o sensor permitiu reduzir o efeito do campo produzido pelo compósito

condutor, tendo uma redução de cerca de 16%, o que, apesar de ser superior à redução provocada por outras soluções estudadas ao nível da eletrónica, é suficiente para poder operar com os sensores. Além disso o comportamento mantém-se linear e conclui-se que não é necessário, com a aplicação da camada de fibra de vidro, usar eletrónica mais complexa.

[0024] Numa realização, os sensores após a sua integração em fibra de vidro e posterior colagem desta camada ao compósito de fibra de carbono foram revestidos com um material próprio para revestimento de tanques de combustível para a indústria aeronáutica. Devido às suas propriedades oleofóbicas, garante que finas camadas de combustível não permaneçam na superfície dos sensores. Este revestimento tem uma contribuição para a capacidade do sensor e posteriormente para a sua sensibilidade. Como os sensores apresentam a mesma dependência linear com o nível de combustível, a reta de calibração foi calculada e considerada na construção do sistema final.

[0025] Numa realização, alterou-se a geometria do sensor considerando os parâmetros: largura de sensores, distância entre dentes, e o comprimento de dentes. Numa realização, a geometria que apresentou sensibilidade adequada, tem largura de 20 mm, com comprimento de dentes de 17,2 mm, largura de dentes 0,8 mm e distância entre dentes 0,4 mm, está representado na Figura 7.

[0026] Uma realização inclui o uso de pistas impressas para a condução de sinal, de forma a reduzir o peso da estrutura pela remoção de fios de condução de sinal com os respetivos e complexos encapsulamentos e proteção à radiação. A primeira dificuldade encontrada foi de encontro ao facto de o sistema impresso de condução de sinal, tal como as pistas dos sensores de nível, ser suscetível a interferências eletromagnéticas criando correntes parasitas. De facto, a proteção das estruturas impressas em compósito de carbono, para condução de sinal, obrigam ao uso de camadas extra de fibra de vidro, com maior espessura, aumentando significativamente o peso de toda a estrutura compósita final. Nesse sentido, para um correto funcionamento de todo o sistema, e relembrando que existem vários sensores de nível no uso de tecnologia impressa, para o qual o uso deste tipo de estrutura compósita, que recorre à fibra de carbono, fornece um agravante de peso e aumento do custo de integração, indo contra um dos principais objetivos funcionais, ou seja, a redução de peso em toda a estrutura. Desse modo, o uso de cablagem convencional no uso de estruturas compósitas com o recurso a fibra de carbono, é preferencial.

[0027] Numa realização, devido a possível exposição de todo o sistema às constantes correntes e potenciais parasitas no circuito de aquisição foi necessário encontrar um tipo de cablagem que contenha uma eficaz proteção eletromagnética e que em simultâneo suporte os 200 °C, temperatura pela qual deverá passar o material durante o processo de autoclave necessário para a composição da estrutura compósita. Seguindo esses propósitos foi identificado o material de Politetrafluoretileno (PTFE), reconhecido comercialmente como Teflon®, como um ótimo polímero de elevada resistência mecânica ideal para o processo de integração, e também adaptável às gamas de utilização, na estrutura compósita usual.

[0028] Numa realização, o tipo de cablagem pode ter uma apresentação coaxial composta por 4 camadas de material. No seu interior tem um material metálico de elevada condução elétrica, seguido por uma camada de PTFE, de imediato segue uma malha metálica também ela de elevada condutividade elétrica e por fim tem uma camada de material de PTFE com maior espessura. Desse modo temos um cabo de elevada resistência mecânica, sendo em simultâneo ideal para a utilização em sistemas de elevada complexidade e sujeitos a diferentes ambientes eletromagnéticos.

[0029] Numa realização, para cada sensor de nível impresso, é necessário o uso de dois cabos, um para cada elétrodo, sendo que a malha de shielding do cabo deverá ter o mesmo potencial do sistema de aquisição e de toda a estrutura do depósito.

[0030] Numa realização, optou-se pela integração direta de um RTD (Resistance Temperature Detector), por exemplo um RTD comercial (PT-100) bulk, como é o caso do sensor SMD (surface mount device) de platina fornecido pela Innovative Sensor Technology - IST. O sensor de referência P0K1.0805.3P.B é de pequenas dimensões (2 x 1,2 x 0,4mm) de forma a minimizar o impacto de integração direta. Este sensor cumpre as especificações de operação definidas, nomeadamente, a gama de temperatura entre os -40°C até aos +55°C.

[0031] A sua integração na estrutura compósita é feita perto dos sensores de nível. Numa realização, deverão ser posicionados dois sensores RTD para aquisição de temperatura, um estará mais próximo da base do depósito e o outro deverá estar numa posição superior. De forma a facilitar a integração do RTD comercial, este foi soldado a uma placa de circuito impresso (PCB) de pequenas dimensões onde posteriormente foram soldados os cabos de conexão e comunicação do sensor. Sendo posteriormente totalmente integrado na estrutura compósita.

[0032] Numa realização o sensor RTD (PT-100) foi integrado na estrutura compósita com 4 fios. A sua conexão ao sistema de aquisição de dados é efetuada com o recurso a quatro fios, de modo a garantir uma aquisição de dados mais precisa, e a uma PCB de auxílio, para uma correta conexão elétrica do sensor e respetivos fios.

[0033] Numa realização, um dispositivo NFC (ou intermutavelmente, RFID) é integrado no depósito com a finalidade de poder identificar o depósito e receber alguma informação acerca deste. Após avaliados alguns dispositivos NFC existentes no mercado foram adquiridos, por exemplo, os dispositivos Circus NFC de 25 mm de diâmetro e com substrato adesivo o que permite uma fácil aplicação e integração na estrutura composta pela fibra de vidro e compósito. Numa realização, uma vez que este dispositivo não pode ser colado a uma superfície condutora, estes foram colocados sobre uma camada de fibra de vidro que posteriormente pode ser laminada no depósito.

[0034] Assim, os dispositivos NFC TAG usados, identificados e especificados não necessitam de possuir qualquer tipo de preparação para que a sua integração fosse o mais direta possível na estrutura compósita, com fibra de carbono. Nesse sentido, numa realização, foram criadas condições para que os dispositivos NFC TAG funcionem, criando-se uma camada de material em fibra de vidro, sobre a estrutura compósita de carbono, de forma a criar uma distância suficiente de eliminar a interferência natural sobre a presença de uma diferença de potencial parasita.

[0035] N uma realização, uma possível alternativa a este sistema consiste no uso de N FC TAG devidamente preparados para serem acoplados a superfícies condutoras. Não só permitem uma solução mais estética, dado o posicionamento do dispositivo estar no exterior do depósito, mas também pelo facto de a camada de fibra de vidro vir a aumentar o peso da estrutura compósita. U m exemplo destes sistemas são os dispositivos NFC TAG com uma camada de shielding composta por ferrite entre a antena do dispositivo e a camada adesiva. Isto permite uma utilização do dispositivo N FC TAG diretamente colado em superfícies eletricamente condutoras, como é o caso da estrutura compósita em fibra de carbono. Desse modo elimina-se a necessidade de proceder a um processo de integração com o auxílio da fibra de vidro, processo esse que pode ser observado na Figura 8 (A-B). No caso concreto do uso de um dispositivo N FC TAG com o shielding diminui-se os passos iterativos e complexos de integração, diminuindo também o peso direto da estrutura compósita pela redução do uso de material, nomeadamente a fibra de vidro compósita.

[0036] N uma realização, o dispositivo selecionado pode ser por exemplo o NTAG213 29mm Round da empresa RapidN FC, com uma camada adesiva permite uma integração rápida e imediata, sendo posteriormente colado com adesivo específico, de forma a proporcionar a adequada proteção física, na superfície exterior e condutora do tanque.

[0037] N uma realização, a placa de aquisição e transmissão de dados desenvolvida tem diferentes alternativas. A primeira foi composta por um circuito eletrónico com incorporação de componentes passivos, como resistências e condensadores, e componentes ativos (microcontrolador PIC16LF1829) o IC para medição de capacidade (ex. AD7746), o IC para medição de temperatura (ex.MAX31865), o regulador de tensão (MIC5236), um amplificador operacional e ainda um transceiver para comunicação por exemplo via RS485.

[0038] Numa realização, o microcontrolador utilizado para a conceção desta placa de aquisição foi por exemplo a PIC16LF1829. Este IC tem como função recolher os dados provenientes dos integrados de medição, utilizando comunicação por exemplo via I2C para adquirir os valores respetivos à capacidade, e comunicação por exemplo via SPI para obter os valores da temperatura. Posteriormente a essa aquisição, este IC faz o processamento desses dados e assume a posição de Slave. Neste sentido, consoante os comandos oriundos do Master, os dados processados são enviados através de um barramento por exemplo RS485, recorrendo à utilização de um transceiver para realizar essa transmissão de informação. Numa realização, à medição da capacidade proveniente pelos sensores de nível, é realizada uma montagem que combina um amplificador operacional e o IC AD7746.

[0039] Numa realização, o IC AD7746 é um CDC ("Capacitance-to-Digital-Converter") com a aptidão para efetuar medições de capacidade numa gama 8 pF, ou seja, consegue medir e converter capacidades cuja variação seja ±4 pF, considerando uma referência até 17 pF. No entanto, derivado da necessidade de medição de valores de capacidade superiores aos referidos, foi adicionado por exemplo um amplificador operacional para aumentar a gama de valores aceites pelo AD7746. Neste sentido, a junção destes dois componentes conseguem realizar as medições pretendidas no sistema a desenvolver.

[0040] Numa realização, para a medição da temperatura, foi utilizado por exemplo o MAX31865 para medição da variação da resistência que advém da PT100. Este IC possui a capacidade de converter essa variação diretamente num valor digital correspondente a uma temperatura, eliminando assim a necessidade de adicionar circuitos extra.

[0041] A nível de alimentação da placa, de modo a poder incorporar esta placa eletrónica no sistema final, numa realização foi também necessário incorporar um regulador que converta a tensão de alimentação normalmente utilizada em sistemas aeronáuticos (28 V) para a tensão de alimentação utilizada por todos os componentes referidos (3,3 V).

[0042] Numa realização a placa permite ligações de cabos com shielding de modo a minimizar a interferência externa, quer na leitura dos sensores, quer na comunicação.

[0043] Numa realização, após a montagem de todas as placas, as mesmas foram fixadas no interior de caixas de por exemplo ABS (acrilonitrilo-butadieno-estireno), e procedeu-se então à integração destes módulos de aquisição. Por fim, foram criados dois barramentos, um de alimentação (VDD e GND) e outro de comunicação por exemplo RS485 (A e B), utilizando cabos flexíveis para facilitar o posicionamento e colagem dos módulos no depósito.

[0044] Dada toda a complexidade eletrónica associada aos módulos de aquisição de dados, e respetivo funcionamento perto de valores limite para o interior do depósito, foi mais fácil planear o posicionamento dos módulos nas faces exteriores. Para isso numa realização os módulos de aquisição de dados são protegidos de ambientes externos com o uso de uma caixa plástica constituída com o polímero ABS, revestida com uma camada de alumínio ou cobre autocolante conectado ao material compósito de forma a criar uma barreira física aos elementos externos.

[0045] Numa realização, para além da caixa, todo o hardware contido na caixa de ABS está encapsulado por uma resina epóxi, preferencialmente Flame Retardant, que deve ser colocada durante o processo de integração de todo o hardware.

[0046] Numa realização, o laminado de fibra de vidro, componente de ligação entre sensor e componente compósito em fibra de carbono, utilizado nos sensores de nível e temperatura, representa um composto inorgânico com resistência a elevadas tensões e à humidade, uma vez que não altera as suas propriedades físicas e/ou químicas, representando também um isolante elétrico de constante dielétrica baixa com baixo coeficiente de expansão térmica.

[0047] Numa realização, por forma a permitir a integração dos diversos sensores nos componentes compostos foram utilizados adesivos, nomeadamente adesivos na forma de adesivo líquido e em filme. Nos componentes compósitos testados foi utilizado filme adesivo estrutural e nas ligações entre componentes foi utilizado adesivo líquido.

Devido à natureza do combustível a aplicação de tratamento nas superfícies internas ao tanque é requerida de forma a salvaguardar a resistência estrutural dos componentes constituintes do tanque. Desta forma, numa realização, 3 tipos de tratamentos superficiais são considerados, nomeadamente aplicação de primário, de revestimento e selagem da estrutura com recurso a um selante adesivo.

[0048] A utilização de primário e revestimento prende-se com a necessidade de proteger as superfícies internas do ambiente corrosivo em que se inserem. A selagem do tanque é essencial por forma a garantir-se a funcionalidade da estrutura.

Tabela 1 - Configuração de laminado para sensores integrados.


[0049] Na Tabela 1 é apresentado a configuração de laminado utilizado para o componente compósito de fibra de vidro.

[0050] A orientação do laminado de fibra de vidro compreende numa realização o alinhamento das fibras a 0° com o comprimento longitudinal (dimensão superior) do laminado da fibra de vidro da Figura 9 para o sensor de nível, conforme detalhado na esquematização. Para o laminado de fibra de vidro presente no sensor de temperatura a direção do alinhamento das fibras a aplicar é detalhado na Figura 9.

[0051] Por forma a facilitar a integração dos diversos sensores nos componentes compósitos da estrutura tanque foi determinado a integração dos sensores de temperatura e de nível no mesmo la minado de fibra de vidro, minorando, desta forma, possíveis causas de falha durante o processo de produção.

[0052] N uma realização, relativo aos componentes em fibra de carbono a configuração do laminado não é apresentada tendo em conta que este dependente das especificações da estrutura do tanque. Por exemplo, considerado uma estrutura monolítica de diversas camadas, compreendendo diversas orientações de fibra de carbono para os componentes integrantes do tanque.

[0053] Conforme descrito no capítulo anterior, o processo de produção compreende a manufatura dos sensores de nível impressos no substrato PET, numa primeira fase, assim como, e de forma simultânea, o processo de produção dos componentes compósitos em fibra de carbono constituintes da estrutura final. Numa segu nda fase procede-se à produção dos sensores integrados em fibra de vidro, especificamente, sensores de nível e sensores de temperatura.

[0054] Após produção de todos os constituintes procede-se à assemblagem dos componentes, compreendendo o processo de integração dos sensores integrados em fibra de vidro nos componentes constituintes do tanque. Devido à especificidade na operacionalidade dos sensores, a fase final do processo produtivo compreende o tratamento das superfícies internas onde existe contacto com o líquido, isto é, do combustível. Conforme descrito, o processo produtivo compreende 4 etapas, contudo será agora abordado a produção dos componentes compósitos, nomeadamente prepreg composto por fibras de carbono e fibras de vidro, respetivamente, componentes da estrutura tanque e sensores integrados. Os componentes constituintes da estrutura tanque são compostos maioritariamente por prepreg de fibra de carbono curados com recurso a autoclave.

[0055] A produção dos sensores integrados em fibra de vidro compreende a laminação com recurso a autoclave adotando um processo semelhante aos componentes em fibra de carbono. A laminação e cura dos sensores integrados foram efetuados com recurso a moldes de superfície complexa em forma de "U".

[0056] A integração dos diversos sensores nos respetivos laminados é garantida através da utilização da epoxy existente nos prepregs, para os sensores de temperatura e de nível. Relativo ao NFC TAG a união é garantida através da utilização do adesivo existente no próprio sensor estando previsto a utilização do adesivo adicional, caso necessário.

[0057] A integração dos sensores compreende a laminação conjunta entre sensor (de nível e temperatura) e prepreg de fibra de vidro prosseguindo-se com a posterior colagem no compósito, conforme Figura 10.

[0058] A integração com recurso ao adesivo entre sensor integrado em fibra de vidro e componente do tanque é efetuada entre a superfície rugosa do laminado de fibra de carbono e a superfície do molde do sensor integrado por forma a garantir-se a aderência e entre as superfícies.

[0059] Conforme detalhado na esquematização da configuração dos sensores integrados a localização da cablagem compreende o seu alinhamento com o fim de peça do laminado de fibra de vidro. Devido às diversas camadas constituintes do revestimento da cablagem utilizada, o seu descarnamento é preferencial por forma a evitar a fragilização da zona e por conseguinte dos conectores da grelha impressa.

[0060] O procedimento descrito é aplicado aos sensores de nível e temperatura . Contudo e considerando a especificidade do NFC TAG a aplicação do sensor de diâmetro aproximado de 3mm é efetuada diretamente no componente compósito de fibra de carbono do tanque. Desta forma a aplicação deverá ser efetuada de forma a compreender a esquematização presente na Figura 11.

[0061] A integração do NFC TAG no componente em fibra de carbono é garantida através do adesivo presente no próprio sensor, contudo e caso necessário, é possível ser aplicado adesivo adicional.

[0062] O processo de laminação compreende as seguintes etapas: corte dos prepegs, laminação manual das camadas sobre o molde, compactação, procedimento de preparação para cura, pré-ensaio e testes para cura.

[0063] A aplicação dos diversos tratamentos superficiais compreende o controlo constante das condições de trabalho, nomeadamente o controlo de temperatura e humidade. Desta forma todos os procedimentos a aplicar sobre os componentes que compõem o tanque devem preferencialmente ser efetuados entre os 13°C e 35°C com uma humidade relativa de 20% a 85%.

[0064] Após testes com diversas configurações de sensores onde diferentes tratamentos superficiais foram experimentados foi determinado a configuração a utilizar no ambiente específico que é um tanque de combustível. Desta forma foi determinado a necessidade de proteção dos componentes constituintes do tanque com primário e revestimento na qual os sensores são sujeitos exclusivamente à aplicação de revestimento.

[0065] A aplicação de revestimento na superfície dos sensores integrados compreende as seguintes fases. 1. Preparação da superfície para aplicação: limpeza com recurso a um pano limpo embebido em solvente. 2. Preparação do componente a aplicar (revestimento). 3. Aplicação da mistura : agitar por forma a garantir que não existem solidificações no fundo do recipiente; aplicar mistura preferencialmente até 24horas após limpeza da superfície preparada nos pontos anteriores; aplicação preferencialmente de 1 a 2 camadas conforme necessário por forma a garantir uma aplicação homogénea e contínua da mistura. 4. Cumprimentos dos tempos de cura da mistura.

[0066] Após aplicação do revestimento procede-se à aplicação de selante. O procedimento descrito é executado após cura de assemblagem referente ao processo anterior.

[0067] A selagem compreende a aplicação nas áreas de interface assim como nos limites referente a uniões de peças/ componentes. Desta forma o limite dos sensores integrados em fibra de vidro quando integrado no componente em fibra de carbono deverá ser selado de forma a garantir um "cordão" de selante uniforme e contínuo. Por forma a garantir a correta selagem dos componentes os componentes e o equipamento devem estar livres de contaminantes (ex. poeiras) e o componente deverá estar completamente imobilizado até ao final do processo de cura.

[0068] Após o processo de aplicação quer de revestimento quer de selante é requerida a inspeção visual de forma a garantir a conformidade com as especificações.

[0069] Devido à utilização de diversos materiais com coeficientes de expansão térmicas distintos o empeno foi verificado, sendo considerado um critério de conformidade do componente, visto a curvatura excessiva inviabilizar a colagem entre placas compósitas de fibra de vidro e de fibra de carbono. O isolamento dos cabos deverá compreender as temperaturas de cura por forma a evitar danos decorrentes do manuseamento ou resultantes de temperaturas elevadas. Após integração dos sensores, o movimento dos cabos deverá ser restringido por exemplo através da aplicação de adesivo. Os sensores deverão ser inspecionados visualmente e testados por forma a determinar a sua correta funcionalidade antes do procedimento de aplicação de tratamento superficial.

[0070] Considerando o objetivo de integrar sensores em tanques de combustível compósitos, o processo de integração desenvolvido compreende a utilização de sensores de nível e de temperatura integrados numa placa em fibra de vidro, posteriormente integrada no compósito de fibra de carbono. A adoção do presente método de integração dos sensores em 2 fases advém dos estudos e experimentações realizadas na qual foi verificado a deformação do compósito em fibra de carbono quando os sensores são integrados de forma direta .

[0071] Com o software desenvolvido pretende-se adquirir e converter a informação dos sensores instalados nas unidades de engenharia mais adequadas. Para tal foi desenvolvido um software seguindo a arquitetura apresentada na Figura 12.

[0072] Na aplicação desenvolvida os dados têm como origem os sensores, passando depois por diversos módulos de processamento, até serem transformados em informação nas unidades de engenharia mais adequadas, sendo os resultados apresentados no visualizador (GUI).

[0073] Os sensores interdigitados capacitivos têm como função medir o nível de combustível em diversas orientações/posições do tanque de combustível. Os valores medidos permitem, depois de processados, calcular o do volume de combustível.

[0074] Os sensores de temperatura permitem a aquisição da temperatura do combustível que é usada para o cálculo da densidade e massa total do mesmo. Esta informação é importante, dado o volume e constante dielétrica do próprio combustível variar com a temperatura .

[0075] Neste modelo a informação proveniente dos sensores interdigitados indica percentualmente a área do sensor coberta por combustível.

[0076] É também neste módulo onde é realizada a transformação da informação proveniente dos sensores interdigitados em pontos de coordenadas da superfície do combustível, sendo este o input do módulo do optimizador do plano de combustível. O modelo do sistema de sensores necessita da informação da posição dos sensores no tanque de combustível, assim como a ligação entre sensores (por ex. sensores num dos vértices ou extensão de sensores).

[0077] Em sistemas de medição real não serão normalmente obtidos quatro ou mais pontos pertencentes a um mesmo plano ou seja complanares, devido ao fenómeno de sloshing e erros nas medidas dos sensores. Daí ser necessário adotar uma estratégia que permita obter um plano estimado. O módulo optimizador do plano de combustível têm como principal função processar as coordenadas de quatro ou mais pontos e gerar um plano otimizado que melhor represente as coordenadas dos pontos. O plano de corte gerado por este módulo será utilizado pelo módulo do modelo do tanque para se estimar o volume de líquido no mesmo.

[0078] Este módulo necessita da informação sobre a geometria do tanque. A geometria do tanque é carregada a partir dum ficheiro por exemplo em formato XML que contém a informação sobre as faces tanque. Este módulo, através do modelo do tanque e o plano resultante, gera um sólido com a geometria do depósito preenchido com combustível sendo de seguida calculado o seu volume. Na Figura 13, a mais escuro está definido o sólido equivalente à parte correspondente ao combustível.

[0079] Depois de retirada toda a informação geométrica do volume ocupado pelo combustível é necessário estimar o seu valor, tendo em consideração as fontes de ruído introduzidas em todo o processo. No módulo estimador o volume de combustível é convertido para massa; a massa de combustível é estimada aplicando técnicas de processamento de dados e são detetadas e quantificadas as fugas de combustível.

[0080] O volume é convertido para massa, para se obter uma grandeza invariante com a temperatura, utilizada no sector aeronáutico o combustível, dado ser esta uma medida mais precisa do que o volume. Normalmente para se proceder a esta conversão é necessário a densidade, dada pela temperatura do combustível em determinado instante.

[0081] Para a filtragem de dados foram implementados dois tipos de filtros: o filtro de Kalman e o filtro de média móvel.

[0082] O filtro de média móvel, foi implementada com o peso de um para cada amostra. O número de amostras é um parâmetro de configuração do filtro.

[0083] O filtro de Kalman foi implementado com recurso a um sistema dinâmico de primeira ordem em que a variável de controlo (μ^ é fluxo de combustível e a variável de estado (¾) é a massa do combustível. A saída do sistema é zk, Wk e Vk são a variância de medida do fluxo de massa e da medida de massa no combustível.

[0084] Na Figura 14, está um gráfico com curvas dum exemplo dos dois filtros assim como da massa antes da filtragem.

[0085] As fugas são calculadas com base na diferença do somatório no tempo do fluxo de combustível à saída do depósito pela diferença de massa num estado inicial e a massa atual estimada pelos sensores instalados no depósito de combustível.

Fugas = { M ss íS — M ss ^) — ( ^ Fluxo .át)

[0086] Com aplicação do filtro de Kalman é possível melhorar a monitorização do nível de combustível quando comparado com o método de média móvel. No entanto necessita de informação sobre o consumo de combustível.

[0087] Ainda que na presente divulgação se tenham somente representado e descrito realizações particulares da mesma, o perito na matéria saberá introduzir modificações e substituir umas características técnicas por outras equivalentes, dependendo dos requisitos de cada situação, sem sair do âmbito de proteção definido pelas reivindicações anexas.

[0088] As realizações apresentadas são combináveis entre si. As seguintes reivindicações definem adicionalmente realizações.

[0089] O termo "compreende" ou "compreendendo" quando utilizado neste documento indica a presença de características, elementos, inteiros, passos e

componentes mencionados, mas não impede a presença ou a adição de uma ou mais características, elementos, inteiros, passos e componentes, ou grupos dos mesmos.

[0090] As realizações descritas são combináveis entre si.

[0091] A presente invenção não é, naturalmente, de modo algum restrita às realizações descritas neste documento e uma pessoa com conhecimentos médios da área poderá prever muitas possibilidades de modificação da mesma e de substituições de características técnicas por outras equivalentes, dependendo dos requisitos de cada situação, tal como definido nas reivindicações anexas.

[0092] As seguintes reivindicações definem adicionalmente realizações da divulgação.