UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ CAMPUS CURITIBA CURSO DE ENGENHARIA INDUSTRIAL ELÉTRICA

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1 UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ CAMPUS CURITIBA CURSO DE ENGENHARIA INDUSTRIAL ELÉTRICA FELIPE CAINÃ DIOGO TEIXEIRA MACHADO LEONARDO LIPINSKI SISTEMA MULTICANAL DE SENSORES RESISTIVOS PARA MEDIÇÃO DE ESCOAMENTOS MULTIFÁSICOS TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO CURITIBA 2012

2 FELIPE CAINÃ DIOGO TEIXEIRA MACHADO LEONARDO LIPINSKI SISTEMA MULTICANAL DE SENSORES RESISTIVOS PARA MEDIÇÃO DE ESCOAMENTOS MULTIFÁSICOS Proposta de Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação, apresentado à disciplina de Metodologia aplicada ao TCC, do curso de Engenharia Industrial Elétrica Ênfase em Eletrotécnica do Departamento Acadêmico de Eletrotécnica (DAELT) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Eletricista. Orientador : Prof. Dr. Marco José da Silva CURITIBA 2012

3 SUMÁRIO 1 Introdução Motivação Problemas e premissas Objetivos Procedimentos Metodológicos Cronograma Referências... 10

4 1 INTRODUÇÃO 1.1 MOTIVAÇÃO Por escoamento multifásico denota-se o fluxo simultâneo de duas ou mais substancias imiscíveis e fisicamente distintas e pode ser amplamente encontrado em diversas aplicações de engenharia, por exemplo, na geração de energia, na engenharia química e na extração e processamento de petróleo (DA SILVA, 2008). O tipo mais comum de escoamento multifásico é o escoamento bifásico, o qual pode ser: gás-sólido, líquido-líquido, líquido-sólido e gás-líquido sendo esta última provavelmente a mais importante forma de escoamento multifásico sendo encontrada largamente em aplicações industriais (FALCONE; HEWITT; ALIMONT, 2009). Tradicionalmente na indústria as medições de fração de fase são feitas separando as fases e medindo a saída dos fluidos separados utilizando-se técnicas de medição de escoamentos monofásicos (FALCONE; HEWITT; ALIMONT, 2009). Uma forma de se efetuar essas medições é através sensores de impedância no qual o mensurando causa uma variação nas características elétricas, estes sensores são amplamente utilizados na indústria devido a sua simplicidade, baixo custo de fabricação e robustez (PALLÀS-ARENY; WEBSTER, 2001). Sensores para caracterização e escoamentos multifásicos são aplicáveis em diversas áreas e instalações de engenharia tais como na indústria petrolífera, química e nuclear. É de grande importância mensurar a fração gás-líquido, pois muitas vezes este parâmetro determina a eficiência e segurança destas instalações. Segundo dados recentes anualmente são investidos mais de 25 milhões de dólares no mercado de tecnologia de sensores, tendo a área de sensores para escoamento uma representatividade de 21%. Dentro do segmento de sensoriamento de escoamento multifásico, os setores petroquímico e químico representam 15% (FROST & SULLIVAN, 2008). O foco de estudo deste trabalho será em torno dos escoamentos bifásicos do tipo gáslíquido, onde serão utilizados sensores resistivos para sua monitoração. 1.2 PROBLEMAS E PREMISSAS Analisando o escoamento multifásico tomando, por exemplo, uma tubulação de extração de petróleo observa-se a presença de gás e óleo e/ou água escoando simultaneamente na tubulação. Por medidas de segurança e eficiência são de grande importância à caracterização dos padrões de escoamento e a detecção de alguns parâmetros, como por exemplo, da fração óleo/gás que passa nestes dutos. A técnica a ser empregada neste trabalho é baseada nas medições de resistência elétrica, estas apresentam baixo custo, alta resolução temporal e podem ser empregadas em qualquer intervalo de fração de vazio (YANG, H. KIM, D.K. KIM, M.H.; 2003). Seu funcionamento parte

5 do principio que as fases da mistura apresentam diferentes condutividades e/ou permissividades elétricas (LIBERT, N.; DA SILVA, MJ; LIPINSKI, L.; 2011). A resistência elétrica de um escoamento multifásico varia de acordo com a concentração e a distribuição de suas fases, o uso de um sistema de medição baseado em resistência se torna interessante, pois proporciona uma medição instantânea podendo-se fazer o monitoramento e controle online de processos e aparelhos onde os escoamentos ocorrem. Nos últimos anos, o progresso da capacidade de processamento computacional tem fomentado o desenvolvimento e aplicações de simulação e aplicação de códigos computacionais para análise de escoamentos, conhecidos como dinâmica dos fluidos computacional (computanional fluid dynamics - CDF). Para validação dos resultados de CFD uma questão importante são resultados obtidos experimentalmente com escoamentos multifásicos (DA SILVA, 2008). Utilizando da investigação em plantas piloto deseja-se obter um sistema dedicado, distribuído, de alta velocidade e de baixo custo, para validação de resultados de CFD e investigação experimental. 1.3 OBJETIVOS Objetivo Geral De acordo com a necessidade já apresentada anteriormente, este trabalho tem por objetivo principal o desenvolvimento de um sistema de sensores resistivos distribuído para a caracterização de escoamentos multifásicos. Para isso, se propõem o desenvolvimento de um hardware para a excitação, um software para a aquisição e tratamento dos dados, além da montagem e calibração de um sensor resistivo invasivo a dois fios. O presente trabalho será focado, primeiramente, em revisar técnicas de medição de escoamentos multifásicos, aquisição e tratamento de dados. Em seguida, será desenvolvido um protótipo para teste a partir de 2 sensores resistivos e um sistema microcontrolado para gerar a onda de excitação. Após obtidos os resultados em tais testes, será feita a implementação completa do projeto, sendo este composto por um conjunto dos 16 sensores, divididos em oito pares. O circuito microcontrolado tem a função de gerar a excitação dos 16 sensores, bem como a amplificação do sinal de saída e a comunicação com uma a placa de aquisição de dados da National Instruments, desenvolvimento de um software para a interface com o usuário, sendo esta feita em LabView. A divisão do trabalho se dará de acordo com a seguinte sequência: no capítulo inicial, será feito uma revisão bibliográfica das técnicas de escoamentos baseados em impedância. O capítulo seguinte tratará do desenvolvimento da etapa experimental, composto por cada passo realizado pela equipe. O próximo capítulo detalhará a implementação do sistema montado e haverá a exposição dos resultados obtidos. Finalmente, um capítulo para a discussão dos

6 resultados obtidos, sendo feitas conclusões positivas e negativas do projeto, assim como sugestões no implemento de trabalhos posteriores. Figura 1 - Diagrama de funcionamento do sistema Objetivos Específicos Revisar técnicas de escoamentos multifásicos baseados em impedância e aquisição e tratamento preliminar de dados. Desenvolver um sistema microcontrolado para a excitação e pré-amplificação da resposta de apenas 2 sensores para teste inicial, além da interface e auxílio na aquisição e tratamento dos dados; Desenvolver um protótipo formado por 16 sensores resistivos; Desenvolver um software supervisório para a interface com o usuário; Interligação dos sistemas especificados acima; Implementação do sistema completo; Aquisição e tratamento de dados; Conclusões a partir de dados teóricos e práticos.

7 1.4 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS Para desenvolvimento e execução do projeto, se faz necessário a revisão de literaturas técnicas e não técnicas referentes ao assunto, especificação dos materiais e equipamentos para a construção do protótipo, bem como procedimentos de calibração e aferição do sistema, a fim de validar a técnica de medição desenvolvida, conforme descrito nas etapas abaixo. 1ª Etapa: Revisão Bibliográfica Para esta etapa será feito o levantamento de material bibliográfico acerca dos temas abordados em livros, artigos, teses e dissertações. Além de assuntos referentes a escoamentos multifásicos, será necessária a revisão sobre amplificadores operacionais e eletrônica analógica, microcontroladores e instrumentação virtual (desenvolvimento de software em plataforma LabVIEW) 2ª Etapa: Especificação do sistema / materiais e equipamentos Nesta etapa, será feito o levantamento de todos os componentes eletrônicos, instrumentos de medição, ferramentas de desenvolvimento e acessórios para a prototipagem do primeiro sistema de 2 sensores, e posterior desenvolvimento do sistema de 16 sensores resistivos. 3ª Etapa: Desenvolvimento e testes Para a terceira etapa será feito o desenvolvimento do sistema em questão. Para tal, a equipe será dividida de forma a aproveitar as competências e características de cada membro, a fim de maximizar os resultados e o tempo de desenvolvimento. Nesta etapa será feito o primeiro protótipo de 2 sensores, desenvolvimento do firmware e hardware do sistema microcontrolado, além do desenvolvimento de uma placa de circuito impresso para o sistema de 16 canais usando tecnologia SMD (Surface-mount-device), bem como desenvolvimento do software supervisório em plataforma LabVIEW). Para o desenvolvimento do hardware, firmware e software e realização de testes e calibração do sistema será utilizada a infraestrutura do Laboratório de Ciências Térmicas LACIT. O laboratório está situado na Universidade Tecnológica Federal do Paraná no campus Curitiba-Central. Consiste em um grupo de pesquisa criado em 1999 com atividades na área de Mecânica dos Fluidos, Transferência de Calor e Termodinâmica, contemplando investigações teóricas e práticas.

8 O LACIT tem uma profunda interação com o setor produtivo. Como por exemplo, a PETROBRAS e Embraco. Recentemente foi estabelecido um grupo de instrumentação em parceria com LASCA/CPGEI - Laboratório de Automação e Sistemas de Controle Avançado com infra-estrutura para desenvolvimento de hardware, firmware e software. 1.5 CRONOGRAMA Revisão bibliográfica sobre Sensores de Impedância e escoamentos multifásicos. Para esta etapa serão dedicados aproximadamente 45 dias, nos quais a equipe efetuará a leitura e interpretação de livros, artigos, teses e dissertações acerca de técnicas de medição de escoamentos multifásicos e sensores de impedância. Estudo dedicado sobre amplificadores operacionais e eletrônica analógica, microcontroladores e programação. Para esta etapa serão dedicados também aproximadamente 45 dias, a fim de revisar conceitos técnicos importantes para o desenvolvimento da eletrônica e sistema microcontrolado, além da interpretação dos manuais e exemplos do software LabVIEW. Desenvolvimento de um protótipo para excitação de 2 sensores resistivos. A fim de testar o firmware e algoritmo desenvolvido para a caracterização de escoamentos, aproximadamente 30 dias serão dedicados para a prototipagem de uma placa microcontrolada de 2 sensores. Especificar componentes eletrônicos e para ampliação do sistema para 16 sensores resistivos. Após confirmação do funcionamento do sistema com 2 canais, em paralelo a prototipagem e testes do algoritmo, será feita a especificação dos materiais e equipamentos necessários para a ampliação para 16 sensores, utilizando tecnologia SMD (Surface-mountdevice). Desenvolvimento de uma placa de circuito impresso para 16 sensores resistivos. Considerando todos os cuidados necessários para o desenvolvimento de uma placa de circuito impresso, no que se refere a compatibilidade eletromagnética, nesta etapa será dedicado um tempo um pouco maior para o desenvolvimento da placa para 16 canais, levando em conta a revisão de literaturas referentes ao assunto, bem como treinamentos com o software EAGLE, para desenvolvimento de uma placa multicamada com tecnologia SMD e posterior industrialização da PCI. Implementação do sistema de caracterização em uma planta de escoamentos horizontais. Efetuada a montagem da placa de 16 canais, os 16 sensores resistivos serão inseridos na planta piloto de uma forma distribuída, a fim de efetuar a medição das características em vários pontos da planta.

9 Validação do sistema de caracterização, calibrações e testes experimentais. Verificado o bom funcionamento do sistema implementado, teste práticos com escoamentos multifásicos na planta piloto serão efetuados, bem como a comparação de resultados obtidos com outros instrumentos devidamente calibrados, afim de calibrar e aferir o sistema completo. Conclusões sobre o funcionamento do sistema serão obtidas a partir destes resultados. Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Jan Fev Mar Abr Mai Revisão bibliográfica sobre Sensores de Impedância e escoamentos multifásicos. Revisão bibliográfica sobre Microcontroladores, Eletrônica analógica e programação em ambiente LabVIEW. Desenvolvimento de um protótipo para excitação de 2 sensores resistivos Especificar componentes eletrônicos e para ampliação do sistema para 16 sensores resistivos Desenvolvimento de uma placa de circuito impresso para 16 sensores resistivos Implementação do circuito de caracterização em uma planta de escoamentos horizontais e desenvolvimento interface com o usuário Validação do sistema de caracterização, calibrações e testes experimentais

10 REFERÊNCIAS DA SILVA M.J. Impedance Sensors for Fast Multiphase Flow Measurement and Imaging. Dresden: Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik, Technische Universität Dresden, p. Tese (Doutorado). FALCONE, G.; HEWITT, G.F.; ALIMONT, C. Multiphase Flow Metering: Principles and Applications. Oxford, UK: Elsevier, PALLÀS-ARENY, R.; WEBSTER, J.G. Sensors and Signal Conditioning. John Wiley & Sons, FROST & SULLIVAN. World Markets for Sensors in the Chemicals and Petrochemicals Industries. N304-42, YANG,H.;KIM,D.K.;KIM,M.H. Void fraction measurement using impedance method, Flow Measurement and Instrumentation, vol. 14, Oct. 2003, LIBERT,N.; DA SILVA, M.J.; LIPINSKI,L. Capacitive Probe for gas "liquid flow characterization 2011.