BR102018011823A2 - conjunto e método para medição da vazão de fluido em tubulações - Google Patents

Abstract

conjunto e método para medição da vazão de fluido em tubulações. a presente invenção consiste em um método para medição de vazão que compreende um sensor de fluxo não intrusivo e não invasivo para medição de vazão em tubulações baseado em fiber bragg grating (fbg) e flow-induced vibrations (fiv), objetivando correlacionar as deformações medidas na tubulação pelos sensores a fbg com as vazões que induziram a vibração que provocou estas deformações. o ruído do sinal de vibração é obtido pela medição direta da deformação, usando fbgs acoplados à superfície externa da tubulação. os resultados mostram que o nível de ruído, dado pelo desvio padrão do sinal da série temporal de deformação obtido pelos fbgs, é proporcional à vazão.

Description

“CONJUNTO E MÉTODO PARA MEDIÇÃO DA VAZÃO DE FLUIDO EM TUBULAÇÕES”

Campo da Invenção [001] A presente invenção trata de um sensor de fluxo não intrusivo e não invasivo para medição de vazão em tubulações baseado em Rede de Bragg (FBG - Fiber Bragg Grating) e Vibração Induzida pelo Escoamento (FIV - FlowInduced Vibration).

Histórico da Invenção [002] A medição de vazão de fluidos é utilizada em muitas aplicações para diferentes propósitos. Algumas delas incluem o fornecimento de dados para o controle de sistemas, análise de processos, contabilidade de rendimento e consumo, dentre outras.

[003] A diversidade de aplicações e, em geral, o fato de que as medições dinâmicas demonstram propriedades completamente distintas, contribuem para a existência de uma variedade muito grande de medidores. Isto se faz necessário para atender aos tipos e condições físicas do fluido, além de aspectos como exatidão, faixa de operação, custo, complexidade, facilidade de leitura, tempo de vida em serviço e, principalmente, princípio de medição utilizado.

[004] Geralmente, medidores de vazão podem ser classificados como intrusivos ou não-intrusivos, dependendo da perturbação que o elemento transdutor introduz na medida.

[005] Nos medidores intrusivos, existe uma interação físico-química do medidor com o processo em que se efetua a medida. Ele se torna um obstáculo ao fluido, gerando uma perda de carga, podendo inclusive haver a deposição de materiais e/ou contaminação do escoamento, o que impede a utilização desses medidores em alguns processos. Se, além da interação,

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2/21 houver contato do elemento transdutor com o processo em que se efetua a medida, considera-se o medidor invasivo.

[006] Por outro lado, nos medidores não-intrusivos não existe a interação físico-química do medidor com o processo em que se efetua a medida. E se não houver o contato entre o fluido e o equipamento de medição, trata-se de um medidor não invasivo, o que proporciona uma série de vantagens em comparação com os medidores invasivos, tais como: ausência de perda de carga, facilidade de instalação e maior vida útil. A figura 1 resume esquematicamente esta classificação.

[007] A esse respeito, sabe-se que existem muitos sensores de vazão de alta qualidade e diversas técnicas de medição. É indispensável conhecer alguns fatores que são determinantes na escolha do tipo do medidor. Um dos aspectos fundamentais são o conhecimento do tipo de fluido (líquido, gás, vapor) e suas propriedades, bem como as características de escoamento. Reologia é a ciência da deformação e escoamento da matéria, e a medição de escoamento de fluidos é um subconjunto deste campo. Portanto, com o propósito de medir-se o escoamento de um fluido é importante classificá-lo em relação a alguns aspectos:

laminar ou turbulento;

caracterização quanto à mudança de estado do fluido;

monofásico ou multifásico;

quanto às condições do fluxo (críticas ou subcríticas) e, ainda;

se há presença de vazão pulsante, geralmente provocada por equipamentos reciprocantes ou rotativos.

[008] Para uma melhor observação da variedade de modelos e técnicas utilizadas, é importante conhecer os medidores que constam no mercado, seus princípios de funcionamento, e principalmente as vantagens e desvantagens de cada um deles. Primeiramente, é fundamental alocar os medidores em algum

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3/21 tipo de classificação para uma melhor observação da variedade de modelos e técnicas utilizadas.

[009] A classificação dos medidores de vazão inclui muitos outros aspectos além dos demonstrados na figura 1; tais como: geração de pressão diferencial, medidores lineares ou não lineares, medidores volumétricos ou mássicos, totalizadores e/ou medidores de vazão instantânea, de canais abertos, medidores especiais, com ou sem fator “K”, medição com energia aditiva ou extrativa. Conforme aponta GONÇALVES, G. M. em Seleção de Medidores de Vazão (ou Va$ão?): Uma Ótica de Engenharia de Aplicações. Revista Intech América do Sul, São Paulo, 2012, 6. Além disso, uma das formas de classificar medidores de vazão é pelo princípio de medição.

[010] Sabe-se que aproximadamente 45% da medição de vazão de líquidos, gases e vapor no mundo é realizada por meio de dispositivos geradores de pressão diferencial. Medidores baseados neste princípio são intrusivos. A estimativa de vazão adotando o princípio de pressão diferencial resulta em instrumentos chamados de medidores deprimogênios. A placa de orifício é um tipo de medidor deprimogênio utilizado em várias indústrias, por exemplo, tanto na indústria de óleo e gás, como nas indústrias de construção civil e de geração de energia.

[011] Trata-se de uma técnica bastante confiável devido às literaturas técnicas e normas existentes, e viável devido ao baixo custo de construção, aquisição, instalação, manutenção, calibração, diversidade de materiais como aço inoxidável, monel, e etc., para atender aos efeitos de corrosão. Por outro lado, há problemas relacionados à perda de carga, faixa de operação limitada, dependência da geometria da instalação, do regime e perfil de escoamento do fluido, etc.

[012] Outro tipo de medidor utilizado frequentemente na indústria é o medidor linear do tipo turbina, que usa um rotor que gira a uma velocidade proporcional à velocidade do fluido que passa no rotor. As revoluções da

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4/21 palheta podem ser contadas e relacionadas à velocidade do fluido. Este tipo de medidor é intrusive, e tende a se deteriorar rapidamente por depósitos, o que os torna inutilizáveis para aplicações de fluidos com sujeira, como por exemplo, em hidrelétricas, e em fluidos com minerais, como por exemplo, na indústria do petróleo. Além disso, apesar desses medidores fornecerem uma excelente exatidão, repetitividade e faixa de operação, não são eficientes para fluidos com redemoinhos, e não são recomendados para fluidos de alta viscosidade. Ademais, os medidores do tipo turbina estão sujeitos ao desgaste nas palhetas da turbina, e devem ser calibrados para cada aplicação específica, o que encarece apreciavelmente os custos de instalação e manutenção.

[013] Outro medidor linear muito utilizado é o medidor de vazão ultrassônico, que pode operar por tempo de trânsito ou por efeito Doppler. Em ambos os casos, a vazão está relacionada com o tempo que um sinal de ultrassom leva para viajar a partir do transmissor para o receptor. Os medidores ultrassônicos que utilizam o efeito Doppler dependem da reflexão de ondas de ultrassom em partículas suspensas no fluido, sendo empregados na indústria como uma opção quando há partículas ou bolhas de gás em suspensão no líquido. Já os medidores ultrassônicos que utilizam a diferença no tempo de trânsito apresentam dificuldade para fazer medições em pequenos diâmetros, de modo que, quando minerais provenientes da solução são liberados, interferem nas ondas ultrassônicas, levando estes medidores a produzirem falsas indicações.

[014] Um outro tipo de medidor é o medidor por deslocamento positivo, ou volumétrico, que se destina a medir volumes incrementais à medida que o volume é preenchido e esvaziado. Os volumes cheios são contados para determinar o fluxo. Este tipo de transdutor é invasivo, e necessita de modificações no duto para a instalação. Técnicas frequentemente usadas para este tipo de medidor são os rotores de lóbulos ou de engrenagem que, geralmente, precisam de um filtro para impedir que a parte móvel venha a travar em virtude de partículas sólidas.

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5/21 [015] Tem-se ainda, dentre os medidores ditos lineares, o medidor mássico Coriolis que, apesar de não invasivo, é intrusivo. Sua limitação encontra-se no tamanho do diâmetro de seis polegadas da tubulação e na perda de carga entre moderada e alta, variando de acordo com as condições do fluido e de processo. Mesmo assim, este medidor também atende às necessidades estabelecidas para um medidor de vazão. Com este medidor é possível medir vazão em massa e em volume. Sua exatidão, faixa de operação e estabilidade o fazem uma das soluções mais confiáveis e completas do mercado.

[016] Ainda sobre medidores lineares, vale ressaltar também o medidor eletromagnético, tido como um dos instrumentos mais confiáveis e robustos, graças a sua exatidão notável, alta estabilidade, faixa de operação e desempenho. Apesar disso, este medidor depende das propriedades condutoras elétricas do fluido e, por isso, tem utilidade limitada, só podendo ser usado com líquidos que tenham condutividade mínima de 200 pS/m, sendo ainda considerados grandes e caros. O princípio de funcionamento baseia-se na passagem do fluido através de um campo magnético que gera uma tensão proporcional à vazão do fluido. Medidores de vazão eletromagnéticos, assim como medidores mássicos de vazão, não são invasivos, mas também necessitam de modificações no duto para a instalação.

[017] Acrescenta-se ao eletromagnético o medidor com geração de vórtices de Von Karmann, chamado genericamente de vórtex. Uma obstrução é instalada no duto, causando a formação de redemoinhos (vórtices). Os vórtices são repetidamente espalhados em lados alternados do obstáculo com uma frequência que é relacionada de maneira linear com a velocidade do fluido. Sensores instalados captam a frequência de formação dos vórtices e a eletrônica converte-a em taxa de vazão volumétrica. Este medidor é aplicado para medição de fluxo de gases, vapor saturado e superaquecido, e líquidos em geral. Apresenta baixa perda de carga, maior faixa de operação, exatidão, relação linear, menores custos de instalação e manutenção, compensação de

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6/21 pressão e temperatura, medição de vazão volumétrica normalizada e/ou mássica.

[018] Assim, no âmbito da medição de vazão de fluidos são relatadas diversas dificuldades, sendo que as que mais se destacam referem-se à grande variedade de fluidos manipulados e a um outro fator complicador, que é o elevado número de configurações diferentes, tornando-se frequente na medição da vazão o uso de extrapolações e de similaridades geométricas, dinâmicas e cinemáticas entre os diferentes modelos.

[019] No que diz respeito aos sensores a Rede de Bragg, tais como os utilizados na presente invenção, sabe-se que atualmente há um grande número de empresas e grupos de pesquisa fabricando redes de Bragg em fibras ópticas para diversas aplicações, principalmente em telecomunicações, sensoriamento e medição.

[020] Fisicamente, uma rede de Bragg é uma modulação periódica do índice de retração ao longo do núcleo de uma fibra óptica, caracterizado por um período espacial Λ. Quando a luz que está se propagando através do núcleo da fibra óptica incide numa rede de Bragg, uma fração do espectro é retro-refletido na direção da entrada da fibra, enquanto que o restante do espectro é transmitido através da rede. Nesse caso, a rede de Bragg atua como um filtro, pois o espectro transmitido é o espectro original subtraído do espectro retrorefletido.

[021] O comprimento de onda central da luz refletida, que é chamado de comprimento de onda de Bragg (λβ), é proporcional ao período da rede de Bragg, sendo igual a:

ÁB = 2n_effA, (Eq.1) [022] onde n_eff é o índice de retração efetivo do núcleo da fibra óptica e Λ é o período da rede de Bragg.

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7/21 [023] Por outro lado, é sabido que mudanças na temperatura do ambiente em torno da fibra óptica, assim como mudanças na deformação aplicada à fibra, fazem com que o período Λ da rede de Bragg aumente ou diminua, proporcionalmente às variações de temperatura e deformação. Levando em conta a Eq. 1, observa-se que mudanças em temperatura e deformação também levarão a mudanças proporcionais de àb. Desta forma, a medição e monitoramento do comprimento de onda central do espectro refletido por uma rede de Bragg podem ser utilizados para o sensoriamento destas grandezas.

[024] As principais vantagens da utilização de sensores a Rede de Bragg em aplicações de medição e sensoriamento são consequência direta do fato de serem sensores baseados em fibras ópticas, através da qual são transmitidos pulsos de laser. Não ocorre a circulação de corrente elétrica, a indução de tensão elétrica ou o acúmulo de carga elétrica na região onde se está medindo a grandeza de interesse. Por este motivo, a segurança do processo de medição contra incêndio e explosão é maior. Outra vantagem envolve a característica dielétrica da fibra óptica, que faz com que não seja sujeita à interferência de ondas eletromagnéticas externas e, portanto, as informações transmitidas nas fibras ópticas não serão alteradas por possíveis campos externos, assim como as informações transmitidas nas fibras ópticas não afetarão o funcionamento de equipamentos próximos à fibra. Outras vantagens deste tipo de sensor são o baixo peso e baixo diâmetro das fibras ópticas, o que permite com que sejam utilizadas em aplicações que exigem pouca interferência mecânica. Além disso, é possível colocar várias redes de Bragg numa única fibra óptica, cada uma com um comprimento de onda de Bragg distinto, o que reduz mais ainda o peso e dimensão do sistema. Finalmente, outra vantagem dos sensores baseados nas redes de Bragg é que, como a fibra óptica pode transportar sinais por vários metros e até kilometros, o sistema de leitura pode ser localizado longe do local de medição (sensoriamento remoto).

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8/21 [025] De modo geral, sensores baseados em FBGs são atualmente utilizados em aplicações nas indústrias de petróleo e gás, aeronáutica, de energia, biomédica, além de várias outras.

[026] A presente invenção utiliza o método de Flow Induced Vibration (FIV) como base para sua realização.

[027] A medição de vazão baseada na Flow Induced Vibration (FIV), ou ‘Vibração Induzida pelo Escoamento’, é uma tecnologia não regulamentada pelos códigos e normas industriais. De modo geral, a FIV é um fenômeno de instabilidade das tubulações que transportam fluidos, considerada um problema operacional que ocorre em muitas plantas industriais, como por exemplo, em trocadores de calor nas usinas de energia e em reatores na indústria nuclear. Em certos casos, o escoamento do fluido dentro de um tubo pode iniciar vibrações de modo que, se a intensidade da vibração for grande o suficiente, os tubos podem friccionar uns contra os outros ou contra os suportes, acarretando em fadiga estrutural ou falha completa. Na prática, em virtude dessas falhas serem muito caras em termos de reparos e perda de produção, as vibrações induzidas em tubulações são indesejáveis.

[028] No entanto, este fenômeno passou a ser investigado por muitos pesquisadores como uma técnica de medição de vazão, no sentido de possibilitar o desenvolvimento de um sensor que apresente características de grande interesse da indústria, como não intrusividade, não invasividade e custo reduzido.

[029] A medição de vazão baseada na Flow Induced Vibration (FIV), ou “Vibração Induzida pelo Escoamento” é uma técnica patenteada pela US6412 352B1, de 02 de julho de 2002, sob o título de “Method and apparatus for measuring the mass flow rate of a fluid”, a qual considera que, de acordo com as 1- e 2- leis de movimento de Newton, a massa de um fluido pode ser indiretamente medida ao se medir a aceleração que ela transmite para outro

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9/21 corpo, de modo que o desvio padrão do sinal da vibração medida aumenta com a vazão, sendo mais bem ajustado por um polinômio de segundo grau.

[030] A técnica FIV é muito eficiente para estimar vazão em tubulações, uma vez que a resposta de vibração varia devido à flutuação da pressão e da velocidade do fluido. A mudança da velocidade do fluido e da pressão dentro da tubulação decorrente do incremento da vazão aumenta a vibração, ocasionando a deformação do material da tubulação. Consequentemente, a variação do comprimento de onda medido pelos sensores FBGs durante o experimento pode ser relacionado com os respectivos valores de vazão que provocaram aquela deformação, visto que o desvio padrão da vibração na tubulação é proporcional às deformações na parede induzida pela turbulência do escoamento.

[031] Diversos grupos de pesquisa já propuseram a detecção de vazão usando sensores FBGs. Por exemplo, BARONCINI no artigo “Single and TwoPhase Flow Characterization Using Optical Fiber Bragg Gratings Sensors’’, da revista Sensors, 15, 6549-6559 (2015), colocou FBGs dentro de uma tubulação, de maneira transversal ao fluxo de fluido, para obter a pressão hidrodinâmica, que é proporcional à vazão; os autores obtiveram uma relação quadrática entre o deslocamento do comprimento de onda (deformação) e a velocidade do líquido. Outros grupos de pesquisa usaram FBGs para medir FIV para monitorar a integridade estrutural. Por exemplo, JIN no artigo “A fibre-optic grating sensor for the study of flow-induced vibrations”, Sens. Actuators, A 79, 36-45 (2000) demonstrou o uso de FBGs acoplados a um cilindro em fluxo cruzado para monitorar o FIV ao qual a estrutura foi submetida. SHANG no artigo “Research on Optical Fiber Flow Test Method With Non-lntrusiori’, Photonic Sensors 4(2), 132-136 (2014) desenvolveu urn sensor de fluxo não intrusive baseado em FIV e FBGs, usando duas FBGs para construir um interferômetro, que foi anexado à superfície de um tubo. Assim, a pressão dinâmica nas paredes do tubo onde o interferômetro de FBG foi fixado causou mudanças de fase no interferômetro, que então foram usadas para calcular as flutuações na

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10/21 pressão, proporcional à vazão; os autores obtiveram uma relação quadrática entre a mudança de fase e a vazão. Um exemplo adicional, TAKASHIMA no artigo “A water flowmeter using dual fiber Bragg grating sensors and crosscorrelation technique”, Sensors and Actuators A, 116, 66-74 (2004), refere-se à utilização de dois conjuntos de sensores FBG, associados a um dispositivo gerador de vórtices, e uma técnica de correlação, para medir a velocidade de deslocamento dos vórtices entre os sensores.

[032] Além dos trabalhos supracitados, existem documentos de patentes que tratam do tema, por exemplo, US2012266689, de 08/10/2010, sob o título “Apparatus configured to detect a physical quantity of a flowing fluid, and a respective method’, a qual utiliza FBGs como sensores de vibração de um aparato inserido em um fluxo que irá gerar uma vibração com determinada frequência que é associada à velocidade/vazão. Já o documento EP1936332, de 22/12/2006, intitulado “Karman vortex flowmeter assembly comprising a fiber Bragg grating sensor and method to measure a fluid flow rate” é similar ao anterior, mas introduz um dispositivo gerador de vórtices no fluxo, cuja frequência característica chamada “Karman”é associada à velocidade/vazão.

[033] Ainda um outro documento de patente, o BR1020180074423, do mesmo titular, trata de método e medidor de vazão em que um tubo de material piezoelétrico é utilizado como transdutor e a partir da vibração induzida pelo fluxo de um fluído, é calculada a vazão.

[034] No entanto, não há registro no estado de técnica da utilização de sensores FGBs em aplicações de medição de fluidos baseada no princípio de funcionamento FIV.

[035] A presente invenção, portanto, provê um método e conjunto para medição de vazão aperfeiçoados que proporcionam medições de fluxo não invasivas e não intrusivas por meio de sensores FBGs, com princípio de funcionamento baseado em FIV e adicionalmente solucionando os problemas relacionados com medições de fluxo pelos métodos anteriores.

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Descrição Resumida da Invenção [036] A presente invenção consiste em um conjunto e um método não invasivo e não intrusivo para a medição da vazão de fluido em tubulações baseado em Fiber Bragg Grating (FBG) e Flow-Induced Vibrations (FIV), compreendendo sensores a Rede de Bragg, colados externamente à tubulação, objetivando-se medir a deformação sofrida pelo material da tubulação em resposta à vibração induzida pelo escoamento de um fluido.

[037] Como as redes de Bragg são sensíveis tanto a mudanças de deformação quanto de temperatura, além das Redes de Bragg coladas na tubulação para a medição da deformação, é utilizada uma rede de Bragg, não colada, para medir somente a temperatura. Esta rede de Bragg permite que seja possível separar as informações de deformação e temperatura realizadas pelas redes de Bragg coladas.

[038] De um modo geral, a presente invenção trata de um conjunto e método não intrusivo e não invasivo para a medição da vazão de fluido em que são empregados sensores a Rede de Bragg, capazes de deformar junto com a estrutura na qual são fixados em resposta a estímulos mecânicos, oriundos da vibração causada pela passagem do fluido na tubulação.

Breve Descrição das Figuras [039] A presente invenção será descrita com os desenhos descritos, que representam um esquema, mas não limitam o seu escopo:

A figura 1 apresenta um esquema ilustrando as diferenças entre medidores de vazão intrusivos ou não, e invasivos ou não;

A figura 2 mostra uma rede de Bragg gravada numa fibra óptica;

A figura 3 ilustra uma representação esquemática do conjunto para medição da vazão de fluido em tubulações da presente invenção;

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A figura 4 exemplifica o comportamento do comprimento de onda medido por um dos sensores (FBG A) para cada vazão ao longo do tempo;

A figura 5 apresenta os resultados das medidas com sensores FBGs correlacionando a deformação (dada pelo comprimento de onda) com a vazão (L/min);

A figura 6 ilustra o gráfico de “vazão (L/min) versus desvio padrão (nm)” do comprimento de onda, juntamente com a curva da equação de ajuste;

A figura 7 mostra o desvio padrão do comprimento de onda (nm) em função da vazão (L/min) para o sensor FBG usado para medir temperatura (FBG T). Na inserção do gráfico é mostrado o comportamento da temperatura (dada pelo comprimento de onda) em função da vazão (L/min);

As figuras 6 e 7 também correlacionam a vazão em L/min com o Número de Reynolds que caracteriza o escoamento;

A figura 8 ilustra um gráfico “vazão estimada (L/min) versus vazão de referência (L/min)”;

A figura 9 apresenta o resultado estimado da incerteza de medição com n-1 graus de liberdade ao nível de confiança de 95%;

A figura 10 ilustra uma representação esquemática alternativa do conjunto para medição da vazão de fluido em tubulações da presente invenção.

[040] Embora o assunto aqui revelado seja susceptível a diversas modificações e formas alternativas, suas realizações específicas foram apresentadas a título de exemplo nos desenhos e são aqui descritas em detalhes. Deve ser entendido, entretanto, que a descrição aqui feita das

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13/21 realizações específicas não é destinada a limitar a invenção às formas particulares reveladas, mas, ao contrário, a intenção é abranger todas as modificações, equivalentes, e alternativas que estejam dentro do espírito e escopo da invenção, conforme definidos pelas reivindicações anexas.

Descrição Detalhada da Invenção [041] A figura 1 ilustra em um esquema as diferenças entre medidores de vazão intrusivos ou não, e invasivos ou não do estado da técnica. Nesta figura podemos observar as possíveis combinações da relação entre o posicionamento do sensor (2) em relação à tubulação (1) de acordo com as características de invasividade e intrusividade.

[042] A figura 2 ilustra uma seção de uma fibra óptica do estado da técnica compreendendo uma casca (3) envolvendo o núcleo (4) e um sensor de Rede de Bragg (FBG), gravado no dito núcleo (4).

[043] A figura 3 ilustra uma realização preferida da presente invenção que trata de um conjunto (100) e método não intrusive e não invasivo para a medição da vazão de fluido compreendendo um ou mais sensores a Rede de Bragg (FBG), dispostos no núcleo (4) de uma ou mais fibras ópticas (6) fixadas externamente ao longo de uma ou mais regiões de uma tubulação (5). O conjunto (100) compreende ainda uma segunda fibra óptica (7) em contato, porém não fixada à tubulação (5), onde a dita fibra óptica (7) compreende um sensor a Rede de Bragg (FBG T) em seu núcleo. As fibras ópticas (6) e (7) são então conectadas a um Interrogador óptico (8). Dito Interrogador óptico (8) é então conectado através de um cabo (9) a um computador (10), responsável pela aquisição dos dados gerados a partir de todas os sensores FBGs, operando a 1000 Hz (1 medição a cada 1 ms).

[044] Mais especificamente, a figura 3 ilustra uma realização da presente invenção em que para a medição da deformação da tubulação (5), foi fixada uma fibra óptica (6) dotada de 4 sensores a rede de Bragg (FBG A), (FBG B),

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14/21 (FBG 0) e (FBG D) gravados ao longo do seu comprimento, os quais foram posicionados longitudinalmente na tubulação. Para a medição da temperatura, foi posicionada uma fibra óptica (7) em contato com a tubulação (5) dotada de um sensor a rede de Bragg (FBG T). Ditas fibras ópticas (6) e (7) estão conectadas a um interrogador óptico (8) e este é conectado por meio de um cabo (9) a um computador (10).

[045] Os dados de deformação medidos pelos sensores FBGs (em valores de comprimento de onda (λ)), deformação esta oriunda da vibração induzida pelo escoamento de fluido (F) no interior da tubulação (5), são captados pelo interrogador óptico (8) que então os transmite por meio do cabo (9), para serem armazenados em um computador (10). Os dados são exibidos no computador (10) por meio de um software adequado e posteriormente processados para extração do desvio padrão e subsequente estimativa da vazão do fluido.

[046] O princípio de funcionamento do sistema de medição de vazão aqui revelado baseia-se em um escoamento de um fluido através da tubulação. Quando este escoamento é turbulento (Re « 10000), ocorre a formação de vórtices ou redemoinhos e há uma transferência contínua de energia conforme as moléculas do fluido vão de locais de maior energia cinética a regiões de energia cinética inferior, gerando flutuações de pressão que excitam oscilações vibratórias no tubo onde o fluido está escoando, fazendo com que este vibre. O movimento vibratório do tubo também provoca flutuações de pressão adicionais. Essa interação de dois sentidos resulta em FIV.

[047] Para a análise dos dados de deformação associados ao fenômeno FIV e medidos pelos sensores FBGs, os dados são diretamente computados, e em seguida são calculados os desvios-padrão das deformações correspondentes a cada valor de vazão que as induziu.

[048] Na presente invenção, demonstramos um sensor de fluxo não intrusive e não invasivo baseado em sensores FBG e FIV onde o ruído do sinal de vibração é obtido pela medição direta da deformação, usando sensores FBGs

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15/21 acoplados à superfície externa do tubo. Os resultados mostram que o nível de ruído, dado pelo desvio padrão do sinal da série temporal de deformação obtido pelos sensores FBGs, é proporcional à vazão.

[049] A fim de conhecer a deformação em um material polimérico e relacionála a vazão, sensores de deformação a redes de Bragg em fibra óptica (FBG) foram utilizados.

[050] Neste sentido, apresentam-se os resultados destes experimentos de acordo com as configurações experimentais.

[051] A figura 4 mostra o resultado da medição do comprimento de onda em função do tempo para um sensor FBG. O gráfico da figura 4 exemplifica o comportamento do comprimento de onda medido pela FBG A para cada vazão ao longo do tempo.

[052] Considerando que há vazão de fluido (F) no interior do tubo, a figura 5 mostra a variação de comprimento de onda (Δλ) em função da vazão (L/miri), podendo-se perceber claramente que esta variação do comprimento de onda depende da deformação.

[053] Assim, a figura 5 mostra medidas com sensores FBG correlacionando a deformação com a vazão.

[054] Estes resultados da figura 5 mostram que o sensor FBG A apresenta a maior variação de comprimento de onda com a vazão dentre as redes fixadas ao longo da região longitudinal da tubulação. Assim, pode-se inferir que a região onde se encontra posicionado o sensor FBG A apresenta maior deformação devida à vazão de água. Em virtude desta observação, o foco das análises dos resultados foi direcionado para o comportamento desta rede.

[055] Desse modo, apresenta-se na figura 6 o desvio padrão (DP) do sinal de série temporal de deformação para o sensor FBG A, que apresentou a melhor

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16/21 sensibilidade, em função da vazão. Para o conjunto específico de dados mostrado, a vazão foi elevada e, em seguida, reduzida.

[056] Examinando o comportamento da curva no gráfico da figura 6, pode-se observar que o desvio padrão apresenta uma dependência quadrática com a vazão do fluido, demonstrando que o método FIV pode ser utilizado para medições de vazão não invasivas e não intrusivas.

[057] Diante disso, uma equação de ajuste da curva foi obtida, conforme a equação 2, onde a variável “x” corresponde à vazão em L/min e a variável “y” ao desvio padrão em nm:

y = 8,49.10’⁴ - 1,86.10’³ x + 3,045.10’² x² (Eq. 2) onde R²= 0,97814 [058] O R² (chama-se R quadrado) é um coeficiente que mostra em percentagem o quanto o modelo consegue explicar os valores observados. Ele verifica se o modelo apresentado explica razoavelmente bem a relação entre as variáveis. Em outras palavras, o R² avalia a qualidade do ajuste do modelo. Quanto mais próximo de 1,0 melhor é o modelo.

[059] Nota-se claramente que, à medida que a vazão aumenta, a vibração induzida pelo escoamento turbulento também aumenta, o que demonstra que a técnica FIV se mostra eficiente para estimar a vazão por meio da deformação medida pelos sensores FBGs.

[060] A figura 7 demonstra que nem o desvio padrão nem o comprimento de onda médio (inserção) para o sensor FBG T variaram significativamente durante as medições. O comprimento de onda médio (na inserção do gráfico) demonstra que a variação máxima de temperatura foi inferior a 0,2 °C (2 pm).

[061] No que diz respeito ao resultado da medição de vazão utilizando as Redes de Bragg (FBGs), foi realizada uma análise metrológica baseando-se na equação de ajuste obtida na figura 6.

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17/21 [062] Por fim, foi utilizado um medidor de vazão eletromagnético para comparar e calibrar o sistema de medição de vazão da presente invenção.

[063] Para a obtenção da relação direta entre a vazão e a vibração, os valores de deformação medidos pelo sensor FBG A foram ajustados visando estimar a vazão correspondente, como pode ser visto na Figura 8, pelo método de ajuste por mínimos quadrados ordinários, em que o eixo vertical apresenta as vazões estimadas (Q_est) e o eixo horizontal apresenta as vazões de referência (Qref), que foram medidas pelo medidor de vazão eletromagnético (padrão).

[064] A partir da observação da figura 8, pode-se notar que a leitura do sensor FBG A (vazão estimada) acompanha bem a do medidor padrão (vazão de referência), apenas demonstrando um pouco de instabilidade nos níveis de vazões mais baixos, possivelmente proveniente do processo típico de acomodação mecânica inicial da tubulação.

[065] Sob o ponto de vista do regime de escoamento na tubulação, o gráfico da figura 6 mostra também a relação entre a vazão estimada e seu número de Reynolds (Re) correspondente.

[066] Este resultado evidencia condições de escoamento plenamente desenvolvido (Re « 10000), dado que o número de Reynolds que corresponde ao menor valor de vazão estimado (20,00 L/min) já é de 7670. Daí em diante, à medida que a vazão aumenta, a quantidade de turbulência também aumenta, chegando a 38342 no último valor de vazão estimado (100,00 L/min).

[067] Fundamentalmente, os métodos de avaliação da incerteza disponíveis na literatura especializada correspondem ao ‘Tipo A’, que baseia-se em procedimentos estatísticos; ou ao ‘Tipo B’, quando o procedimento utilizado baseia-se em informações não-estatísticas (distribuição assumida a priori, informações de certificados de calibração, etc.). Geralmente há diversas fontes simultâneas de incerteza, algumas do Tipo A, algumas do Tipo B. Para a

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18/21 análise de incertezas, foram consideradas as seguintes componentes de incerteza:

- Tipo A: incerteza de medição do ajuste (uajus);

- Tipo B: incerteza de medição do instrumento - sensor FBG (uinst), que já faz parte dos coeficientes da regressão;

- Tipo B: incerteza de medição do medidor de vazão padrão eletromagnético (u_Pad), para a qual, pela inexistência de um certificado de calibração, adotou-se o valor que foi identificado na curva de desempenho do seu manual de operação de ± 0,38 %.

[068] Uma vez definidas as componentes de incerteza, a incerteza combinada (u_c) já pode ser calculada, baseando-se na equação 3 fornecida a seguir:

= wjLs + (Eq- 3) [069] Com base na equação acima, a incerteza combinada foi estimada, conforme pode-se observar na tabela abaixo.

Vazão de referência Vazão estimada Incertezas

Qref (L/min)	Qest (L/min)	^ajus	Upad	Uc
25,35	40,64	10,36	0,0038	10,36
34,15	47,06	8,60	0,0038	8,60
42,75	44,43	7,52	0,0038	7,52
51,45	45,52	6,98	0,0038	6,98
60,65	56,65	4,07	0,0038	4,07
68,15	70,62	2,65	0,0038	2,65
77,00	80,14	2,11	0,0038	2,11
85,20	85,67	1,90	0,0038	1,90
93,90	91,70	1,76	0,0038	1,76
100,90	101,38	1,72	0,0038	1,72

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19/21 [070] No entanto, para obtenção da faixa de valores onde se encontra o erro aleatório do processo de medição, é necessário calcular a incerteza expandida (U), pois é a partir dela que se pode determinar uma quantidade equivalente à repetibilidade da ação combinada de todas as fontes de incerteza.

[071] Para o cálculo da incerteza expandida (equação 4) considerou-se o fato de que a componente de incerteza do “Tipo A” apresenta um número reduzido de observações (n < 30) e, portanto, a distribuição dos dados foi atribuída a uma distribuição de probabilidade t-Student (ts), com número de graus de liberdade efetivos (v_eff) equivalente da combinação das incertezas previamente calculado pela equação de Welch-Satterthwaite, descrita na equação 5.

U = t_s._Uc (Eq.4) v_eff = —(Eq. 5 ^β” yii ^£f=l 17,[072] Onde, Uc(y) é a incerteza combinada; u,(y) é a incerteza padrão da componente i e ué o número de graus de liberdade da componente i.

[073] Assim, a figura 9 apresenta o resultado estimado da incerteza com n-1 graus de liberdade ao nível de confiança de 95%.

[074] Sob o ponto de vista das incertezas mostradas na figura 8, observa-se que, à medida que há o incremento da vazão, o que significa aumento de vibração, as incertezas associadas a essas vazões começam a apresentar um considerável declínio nos valores, demonstrando uma coerência com a literatura, dada pelas incertezas menores exatamente nos níveis de vazões mais altas.

[075] A figura 10 ilustra uma concretização alternativa do conjunto (100) para medição da vazão de fluido em tubulações compreendendo um circuito eletrônico integrado (30) dotado de um microcontrolador compreendendo um

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20/21 interrogador óptico, meios para processamento dos sinais captados a partir dos sensores a Rede de Bragg (FBG) acoplados ao tubo (5) e meios (31) para visualização dos sinais processados e da vazão estimada.

[076] Adicionalmente a presente invenção trata de um método para a medição da vazão de um fluido (F) em uma tubulação (5) baseado em Rede de Bragg FBG e Vibração Induzida pelo Escoamento - FIV, o referido método compreendendo as seguintes etapas:

a) Fixação dos sensores a Rede de Bragg na tubulação (5) para medição de deformação dessa estrutura;

b) Conexão das fibras ópticas (6) e (7) ao interrogador óptico (8);

c) Medição das deformações por meio dos sensores FBGs interrogados pelo interrogador óptico (8), que são causadas pelas deformações mecânicas e pelas variações de temperatura às quais os sensores FBGs são submetidos;

d) Transmissão dos dados de deformação do interrogador óptico (8) através de um cabo (9) a um computador (10);

e) Armazenamento dos dados no computador (10) por meio de um programa de computador, por exemplo, INLIGHT;

f) Exibição dos dados de deformação medidos no computador (10);

g) Dissociação das informações de deformação mecânica e temperatura;

h) Processamento dos dados para extração do desvio padrão da deformação medida;

i) Correlação dos desvios padrão das deformações com a vazão de referência;

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j) Cálculo da equação de ajuste da curva obtida na correlação;

k) Conversão dos dados de deformação em vazão estimada a partir da equação de ajuste obtida na correlação;

l) Correlação entre a vazão de referência e a vazão estimada;

m) Correlação entre os desvios-padrão das deformações e o número de Reynolds; e

n) Exibir a vazão do fluido.

[077] Como se pode observar, a presente invenção elimina a necessidade de se interromper a tubulação para instalação do medidor, uma vez que a FBG mede de forma não intrusiva e não invasiva e por não haver a circulação de corrente elétrica, a indução de tensão elétrica ou o acúmulo de carga elétrica na região onde se está medindo a grandeza de interesse, a segurança do processo de medição contra incêndio e explosão é maior. Ademais, por ser baseada na técnica FIV, a informação de vazão pode ser obtida por meio de uma simples regressão quadrática.

Claims (2)

1. CONJUNTO PARA MEDIÇÃO DA VAZÃO DE FLUIDO EM TUBULAÇÕES, caracterizado por compreender sensores a Rede de Bragg (FBG) dispostos no núcleo (4) de uma ou mais fibras ópticas (6) fixadas externamente ao longo de uma ou mais regiões de uma tubulação (5), onde o dito conjunto (100) compreende ainda uma fibra óptica (7) em contato com a tubulação (5), dita fibra óptica (7) compreende um sensor a Rede de Bragg (FBG T) gravada em seu núcleo (4), sendo ainda que ditas fibras ópticas (6) e (7) estão conectadas a um interrogador óptico (8), o qual por sua vez é conectado através de um cabo (9) a um computador (10) em que os dados da deformação associada ao fenômeno FIV oriunda da vibração induzida pelo escoamento de fluido (F) no interior da tubulação (5) e medidos pelos sensores FBGs, serem interrogados pelo interrogador óptico (8), e então transmitidos por meio do cabo (9) para um computador (10) onde são processados por meio de um software para extração do desvio padrão e subsequente estimativa da vazão do fluido.

2. CONJUNTO de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo software a ser utilizado ser o INLIGHT.

3. CONJUNTO PARA MEDIÇÃO DA VAZÃO DE FLUIDO EM TUBULAÇÕES, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender um circuito eletrônico integrado (30) dotado de um microcontrolador compreendendo um interrogador óptico e meios para processamento dos sinais captados a partir dos sensores a Rede de Bragg (FBG) acoplados ao tubo (5) e meios (31) para visualização dos sinais processados e da vazão estimada.

4. MÉTODO PARA MEDIÇÃO DA VAZÃO DE FLUIDO EM TUBULAÇÕES, caracterizado pelo fato de compreender as seguintes etapas:

a) Fixar os sensores a Rede de Bragg (FBG) na tubulação (5) para a medição da deformação;

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b) Conectar as fibras ópticas (6) e (7), nas quais estão os sensores FBGs, a um interrogador óptico (8);

c) Medir as deformações dos sensores FBG pelo interrogador óptico (8), que são causadas pelas deformações mecânicas e variações de temperatura às quais as fibras ópticas (6) e (7) são submetidas;

d) Transmitir os dados de deformação medidos pelo interrogador óptico (8) a um computador (10);

e) Armazenar os dados adquiridos por meio de um programa de computador;

f) Exibir os dados adquiridos;

g) Processar os dados adquiridos para extrair o desvio padrão;

h) Estimar a vazão do fluido; e

i) Exibir a vazão do fluido.