BRPI0612763A2

BRPI0612763A2 - medição de gás úmido usando um medidor de fluxo baseado em pressão diferencial com um medidor de fluxo baseado em sonar

Info

Publication number: BRPI0612763A2
Application number: BRPI0612763-0A
Authority: BR
Inventors: Daniel L Gysling
Original assignee: Cidra Corp
Priority date: 2005-07-07
Filing date: 2006-07-07
Publication date: 2010-11-30
Also published as: AU2006268266A1; US8641813B2; US7418877B2; US20070006727A1; EP1899686A1; AU2006268266B2; US20070006744A1; WO2007008896A1; ATE526562T1; EP1899686B1

Abstract

MEDIçãO DE GáS UMIDO USANDO UM MEDIDOR DE FLUXO BASEADO EM PRESSAO DIFERENCIAL COM UM MEDIDOR DE FLUXO BASEADO EM SONAR. Um método e um aparelho para a medição de um parâmetro de um fluxo de gás úmido são providos, onde o aparelho inclui um medidor de fluxo baseado em diferencial de pressão configurado para determinar uma primeira vazão volumétrica do fluxo de gás úmido. Adicionalmente, o aparelho inclui um medidor de fluxo baseado em sonar configurado para determinar uma segunda vazão volumétrica do fluxo de gás úmido. Mais ainda, o aparelho inclui um dispositivo de processamento em comunicação com pelo menos um dentre o medidor de fluxo baseado em pressão diferencial e o medidor de fluxo baseado em sonar, onde o dispositivo de processamento é configurado para determinar o parâmetro (por exemplo, umidade, vazão de gás volumétrica e vazão de líquido volumétrica) do fluxo de gás úmido, usando as primeira e segunda vazões volumétrícas.

Description

MEDIÇÃO DE GÁS ÚMIDO USANDO UM MEDIDOR DE FLUXO BASEADO EMPRESSÃO DIFERENCIAL COM UM MEDIDOR DE FLUXO BASEADO EM

SONAR

REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS DE PATENTE RELACIONADOS

Este pedido reivindica o benefício do Pedido de

Patente Provisória U .S. N0 60/760.845 (Protocolo Legal N0CC-0845) depositado em 19 de janeiro de 2006, Pedido dePatente Provisória U .S. N0 60/759.159 (Protocolo Legal N0CC-0844) depositado em 12 de janeiro de 2006; Pedido dePatente Provisória U .S. N0 60/758.382 (Protocolo Legal N0CC-0843) depositado ι em 11 de janeiro de 2006;; Pedido dePatente Provisória U .S. N° 60/724.952 (Protocolo Legal N0CC-0832) depositado em 6 de outubro de 2005; Pedido dePatente Provisória U .S. N0 60/697.479 (Protocolo Legal N0CC-0820) depositado em 7 de julho de 2 005, Pedido dePatente Provisória U .S. N0 60/762.101 (Protocolo Legal N0CC-0846) depositado em 24 de janeiro de 2 006; Pedido dePatente Provisória U .S. N0 60/773.146 (Protocolo Legal N0CC- 0847 ) depositado em 13 de fevereiro de 2006, Pedido dePatente Provisória U .S. N0 60/774.706 (Protocolo Legal N0

CC-084 8) depositado em 17 de fevereiro de 2006, e Pedido dePatente Provisória U.S. N0 60/YYY.YYY (Protocolo Legal N0CC-0860) depositado em 30 de junho de 2006, todos os-quaissendo incorporados aqui como referência em sua totalidade.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Um processo de fluxo de fluido (processo de fluxo)inclui qualquer processo que envolva o fluxo de fluidosatravés de tubos, dutos, ou outros condutos, bem comoatravés de dispositivos de controle de fluido, tais comobombas, válvulas, orifícios, trocadores de calor esimilares. Os processos de fluxo são encontrados em muitasindústrias diferentes, tais como a indústria de óleo e gás,refino, indústria de alimentos e bebidas, indústria químicae petroquímica, indústria de polpa e papel, geração depotência, indústria farmacêutica e indústria de tratamentode água e de águas servidas. 0 fluido no processo de fluxopode ser um fluido monofásico (por exemplo, gás, líquido ouuma mistura de líquido/líquido) ou uma mistura multifásica(por exemplo, pastas de papel e polpa ou outras misturas desólido/líquido). A mistura multifásica pode ser uma misturabifásica de líquido/gás, uma mistura de sólido/gás ou umamistura de sólido/líquido, um gás entranhado em líquido, ouuma mistura trifásica.

Em certos fluxos de processo, tais como aquelesencontrados nas indústrias de óleo e gás, é desejávelseparar o líquido (por exemplo, óleo e/ou água) e oscomponentes de gás (por exemplo, ar) do fluido. Isto érealizado, tipicamente, usando-se um separador, o qual é umitem de equipamento de produção usado para separação decomponentes líquidos da corrente de fluido de componentesgasosos. Os componentes líquidos e gasosos fluem a partirdo separador em trechos separados (tubos) , com o trechocontendo o componente gasoso referido como o "trecho degás" e o trecho contendo o componente líquido referido comoo "trecho de líquido". Cada um dos trechos tipicamenteinclui um medidor de fluxo para a determinação da vazãovolumétrica para cada um dos componentes de gás e dofluido, respectivamente, onde a vazão volumétrica do trechode gás é comumente medida usando-se uma placa de orifício.

Conforme é bem conhecido na produção de óleo e gás, otransporte de líquido para o trecho de gás do separador degás/líquido comumente ocorre, onde o líquido tipicamenteassume a forma de uma névoa compreendida por pequenasgotículas de líquido, comumente conhecida como gás úmido.

Isto é indesejável, porque o transporte de líquido poderesultar em uma hoste de eventos indesejáveis, dependendoem grande parte do grau de transporte que ocorrer. Comotal, de modo a se minimizar a quantidade de transporte delíquido, a maioria dos separadores tem captadores de névoaprojetados para recuperarem o líquido transportado.Infelizmente, contudo, medições acuradas da quantidade detransporte de líquido não foram obteníveis, porqueatualmente não existem dispositivos e/ou métodos para adeterminação de forma acurada da quantidade de líquidotransportado para o trecho de gás. Como tal, há umanecessidade de um aparelho e de um método para a medição deforma acurada da quantidade de transporte de líquido.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Um aparelho para a medição de umidade de um fluxo degás úmido ou mistura é provido, onde o aparelho inclui ummedidor de fluxo baseado em pressão diferencial configuradopara determinar uma primeira vazão volumétrica do fluxo degás úmido. 0 aparelho também inclui um segundo medidor defluxo que tem um arranjo de sensores configurado para adeterminação de uma segunda vazão volumétrica do fluxo degás úmido. Mais ainda, o aparelho inclui um dispositivo deprocessamento em comunicação com pelo menos um dentre omedidor de fluxo baseado em pressão diferencial e o segundomedidor de fluxo, onde o dispositivo de processamento éconfigurado para determinar pelo menos um dentre a umidadedo' fluxo de gás úmido, o fluxo volumétrico da porção delíquido do fluxo de gás úmido, e o fluxo volumétrico daporção de gás do fluxo de gás úmido, usando-se as primeirae segunda vazões volumétricas.

Mais ainda, um método de medição da umidade de umfluxo de gás úmido ou de uma mistura é provido, onde ométodo inclui a determinação de uma primeira vazãovolumétrica do fluxo de gás úmido, em resposta a umapressão diferencial no fluxo de gás úmido. 0 método aindainclui a determinação de uma segunda vazão volumétrica dofluxo de gás úmido em resposta às pressões não permanentescausadas por estruturas coerentes criando convecção com ofluxo de gás. Adicionalmente, o método inclui oprocessamento da primeira vazão volumétrica e da segundavazão volumétrica para a determinação de pelo menos umdentre a umidade do fluxo de gás úmido, o fluxo volumétricoda porção de líquido do fluxo de gás úmido, e o fluxovolumétrico da porção de gás do fluxo de gás úmido.

Mais ainda, um aparelho para a medição de um parâmetrode um fluxo de gás úmido é provido, onde o aparelho incluium primeiro dispositivo de medição para a medição de umapressão diferencial, onde o primeiro dispositivo de mediçãoé configurado para determinar uma primeira característicado fluxo de gás úmido, a primeira característica sendosensível à umidade do fluxo de gás úmido. 0 aparelho tambéminclui um segundo dispositivo de medição, onde o segundodispositivo de medição é configurado para determinar umasegunda característica do fluxo de gás úmido, a segundacaracterística sendo relativamente insensível à umidade dofluxo de gás úmido. Adicionalmente, o aparelho inclui umdispositivo de processamento em comunicação com pelo menosum dentre o primeiro dispositivo de medição e o segundodispositivo de medição, onde o dispositivo de processamentoé configurado para determinação do parâmetro do fluxo degás úmido usando-se as primeira e segunda características.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Com referência, agora, aos desenhos, os recursos evantagens precedentes e outros da presente invenção serãomais plenamente entendidos a partir da descrição detalhadaa seguir das modalidades ilustrativas, tomada em conjuntocom os desenhos associados, nos quais elementos iguais sãonumerados da mesma forma:

a Figura 1 é um diagrama esquemático de uma primeiramodalidade de um aparelho para a medição de pelo menos umdentre a umidade, a vazão volumétrica da porção de gás e avazão volumétrica da porção de líquido de um fluxo de gásúmido em um tubo, onde o medidor de fluxo tendo um arranjode sensores (medidor de sonar) é disposto a montante de ummedidor de pressão diferencial (medidor de DP) de acordocom a presente invenção.

A Figura 2 é um gráfico da saída de um medidor de DP euma saída de um medidor de sonar para ilustrar que aumidade do gás está relacionada à diferença das duas saídasde acordo com a presente invenção.

A Figura 3 é um diagrama de blocos que ilustra umamodalidade de um algoritmo de gás úmido de acordo com apresente invenção.

A Figura 4 é um gráfico de um medidor de DP e de umasaída de um medidor de sonar para ilustrar que a umidade dogás está relacionada à diferença das duas saídas de acordocom a presente invenção.

A Figura 5 é um gráfico de erro positivo de leitura(estimativa para mais) de um medidor de fluxo baseado noorifício Modelo 1595 de Emerson como uma função do númerode Lockhart-Martinelli.

A Figura 6 é um gráfico que descreve o, desvio entre ummedidor de fluxo de sonar e uma vazão volumétrica dereferência como uma função do número de Lockhart-Martinelli.

A Figura 7 é um diagrama de blocos de uma primeiramodalidade de uma lógica de fluxo do medidor de fluxo desonar no aparelho da Figura 1.

A Figura 8 é uma vista em seção transversal de um tuboque tem estruturas coerentes ali.

A Figura 9 é um gráfico koo de dados processados apartir do aparelho da presente invenção que ilustra ainclinação da crista convectiva, e um gráfico da função deotimização da crista convectiva de acordo com a presenteinvenção.

A Figura 10 é um diagrama esquemático de uma segundamodalidade de um aparelho para a medição pelo menos daumidade, da vazão volumétrica da porção de gás e da vazãovolumétrica da porção de líquido de um fluxo de gás úmidoem um tubo, onde um medidor de fluxo tendo um arranjo desensores é disposto a montante de um medidor de pressãodiferencial de acordo com a presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA

Os medidores de fluxo baseados em pressão diferencial(DP) , tais como medidores de venturi, são amplamente usadospara a monitoração de produção de gás e são bem conhecidospor estimarem para mais as vazões de gás na presença delíquidos, onde esta tendência a estimar para mais devido àumidade indica uma forte correlação com a relação em massade líquido para gás do fluxo. Adicionalmente, foi observadoque medidores de sonar, tal como será descrito aqui maistarde, continuam a reportar de forma acurada as vazões degás, independentemente do carregamento de líquido. Comotal, esta insensibilidade à umidade provê um meio práticopara a medição de forma acurada da vazão de gás e da vazãode líquido de um fluxo de gás úmido. No processamento dosdados combinados (isto é, dados obtidos a partir do medidorde DP e do medidor de sonar) , um conjunto de coeficientesde sensibilidade à umidade local para cada série de umidade(a uma pressão e uma vazão fixas) pode ser usado para aprovisão de uma caracterização mais acurada do medidor deDP e do medidor de sonar para a determinação da umidade,onde os coeficientes de sensibilidade à umidade para cadadispositivo podem ser providos por um ajuste polinomial deordem baixa da estimativa para mais versus umidade. Estacaracterização então pode ser usada para se "inverterem" assaídas do medidor de DP e do medidor de sonar para aprovisão de uma vazão de gás acurada e de uma vazão delíquido acurada.

Deve ser apreciado que a insensibilidade de um medidorde sonar à umidade deteriora com números de Froude (Fr)densimétricos decrescentes, onde o número de Froudedensimétricô é uma medida do grau de "confusão" no fluxo.Conforme é conhecido, o número de Froude é dado por:

onde

<formula>formula see original document page 8</formula>onde Fr é o número de Froude, pgas é o peso específico dogás, piig é o peso específico do líquido, Vgas é a velocidadede fluxo do gás e gD é a força da gravidade multiplicadapelo diâmetro interno do tubo. Deve ser apreciado quefluxos que são bem misturados provêem resultados melhoresdo que fluxos que não são bem misturados. Como tal, devidoao fato de o número de Froude ser indicativo do bom estadoda mistura (isto é, quanto mais alto o número de Froude,mais bem misturado está o fluxo), um fluxo tendo um númerode Froude que seja igual ou maior do que 2 tende a permitirresultados ótimos. Por exemplo, para um número de Froude demais do que 2 (isto é, Fr > 2) , as taxas de gás reportadasa partir do medidor de sonar tipicamente estão em 5% daquantidade real, independentemente da umidade.

Com referência à Figura 1, um diagrama esquemático deuma primeira modalidade de um aparelho 112 para a mediçãoda umidade e das vazões volumétricas de um fluxo de gásúmido 104 fluindo em um tubo 124 é mostrado. 0 aparelho 112inclui um medidor de fluxo baseado em pressão diferencial114 (medidor de fluxo de DP) e um medidor de fluxo 116 quetem um arranjo de sensores 118 (medidor de fluxo de sonar).

0 medidor de fluxo de DP 114 determina a vazão volumétrica(Qap) do fluxo de gás úmido 104. De modo similar, o medidorde fluxo de sonar 116 determina a vazão volumétrica (QSOnar)do fluxo de gás úmido 104, o que será descrito em maioresdetalhes aqui adiante. Uma unidade de processamento 120, emresposta às vazões volumétricas providas pelo medidor defluxo de DP 114 e medidor de fluxo de sonar 116, determinapelo menos a umidade, a vazão volumétrica da porção de gáse a vazão volumétrica da porção de líquido de um fluxo degás úmido em um tubo, o que descrito em maiores detalhesaqui adiante. Conforme mostrado, o medidor de fluxo desonar 116 é disposto a jusante do medidor de fluxo de DP114, o que provê um fluxo de gás e líquido bem misturados104 a ser medido pelo medidor de sonar 116. Contudo, écontemplado pela presente invenção que o medidor de fluxode DP pode ser disposto a jusante do medidor de fluxo desonar, conforme mostrado na Figura 10.

O medidor de fluxo baseado em pressão diferencial 114pode incluir qualquer tipo de medidor de fluxo que permitauma medição de fluxo usando uma pressão diferencial (ΔΡ) nofluxo 104. Por exemplo, o medidor de fluxo de DP 114 podepermitir a medição de fluxo pelo uso de uma obstrução defluxo 128 ou restrição, para a criação de uma pressãodiferencial que seja proporcional ao quadrado da velocidadedo fluxo de gás 104 no tubo 124, de acordo com o teorema deBernoulli. Esta pressão diferencial através da obstrução128, usando um par de sensores de pressão 113, pode sermedida e convertida em uma vazão volumétrica usando-se umprocessador ou dispositivo secundário 13 0, tal como umtransmissor de pressão diferencial. No exemplo mostrado, aobstrução de fluxo 128 é uma placa de orifício 128 atravésda qual o fluxo de gás úmido 104 passa. 0 transmissor 13 0detecta a queda na pressão do fluxo 104 através da placa deorifício 128, e determina uma vazão volumétrica do fluxo degás úmido 104 (Qap) como uma função da queda de pressãodetectada. Embora um medidor de fluxo baseado em orifício128 seja mostrado, será apreciado que o medidor de fluxobaseado em pressão diferencial 114 pode incluir um medidorde venturi, um medidor de cone em V, uma restrição de fluxoou similar.

0 medidor de fluxo baseado em sonar 116 inclui umarranjo espacial 132 de pelo menos dois sensores de pressão118 dispostos em localizações axiais diferentes Xi...xN aolongo do tubo 124. Cada um dos sensores de pressão 118provê um sinal de pressão P(t) indicativo de uma pressãonão permanente no tubo 124 em uma localização axialcorrespondente Xi...xN do tubo 124. Um processador de sinal134 recebe os sinais de pressão Pi (t) . . . Pn (t) a partir dossensores de pressão 118 no arranjo 132, e determina avelocidade e a vazão volumétrica da porção de gás do fluxode gás úmido 104 usando os sinais de pressão a partir dossensores de pressão 118. 0 processador de sinal 134 entãoaplica técnicas de processamento de arranjo aos sinais depressão Pi (t) . . . P*j(t) para determinação da velocidade,vazão volumétrica e/ou outros parâmetros do fluxo de gásúmido 104.

Embora o medidor de fluxo baseado em sonar 116 sejamostrado como incluindo quatro sensores de pressão 118, écontemplado que o arranjo 132 de sensores de pressão 118pode incluir dois ou mais sensores de pressão 118, cada umprovendo um sinal de pressão P(t) indicativo de pressão nãopermanente no tubo 124 em uma localização axialcorrespondente X do tubo 124. Por exemplo, o medidor defluxo baseado em sonar 116 pode incluir 2, 3, 4, 5, 6, 7,8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22,23, ou 24 sensores de pressão 118. Geralmente, a precisãode medição melhora conforme o número de sensores 118 noarranjo 132 aumentar. 0 grau de precisão provido pelonúmero maior de sensores 118 é deslocado pelo aumento nacomplexidade e tempo para computação do parâmetro de saídadesejado do fluxo. Portanto, o número de sensores 118usados é dependente pelo menos do grau de precisão desejadoe da taxa de atualização desejada do parâmetro de saídaprovido pelo medidor 116.

Os sinais Pi (t) . . . Pn (t) providos pelos sensores depressão 118 no arranjo 132 são processados pelo processadorde sinal 134, o qual pode ser parte da unidade deprocessamento maior 120. Por exemplo, o processador desinal 134 pode ser um microprocessador e a unidade deprocessador 120 pode ser um computador pessoal ou u outrocomputador de finalidade geral. É contemplado que oprocessador de sinal 134 pode ser qualquer um ou maisdispositivos de processamento de sinal analógicos oudigitais para execução de instruções programadas, tais comoum ou mais microprocessadores ou circuitos integradosespecíficos de aplicação (ASICS), e pode inclui uma memóriapara o armazenamento de instruções programadas, pontos deregulagem, parâmetros e para o armazenamento temporário ouarmazenamento de outra forma de dados. Ainda, deve serapreciado que algumas ou todas as funções na lógica defluxo 136 podem ser implementadas em software (usando-se ummicroprocessador ou um computador) e/ou firmware, ou podemser implementadas usando-se um hardware analógico e/oudigital, tendo memória suficiente, interfaces e capacidadepara realização das funções descritas aqui.

Para determinação da vazão volumétrica QSOnar do fluxode gás úmido 104, o processador de sinal 134 aplica osdados a partir dos sensores de pressão 118 à lógica defluxo 136 executada pelo processador de sinal 134. A lógicade fluxo 136 é descrita em maiores detalhes aqui adiante.

Também é contemplado que uma ou mais funções realizadaspelo dispositivo secundário 130 do medidor de fluxo depressão diferencial 114 podem ser realizadas peloprocessador de sinal 134. Por exemplo, sinais indicativosde pressão de fluxo de gás a montante e a jusante doorifício 128 podem ser providos para o processador de sinal134, e o processador de sinal 134 pode determinar a vazãovolumétrica Qap- Usando a vazão volumétrica do fluxo de gásúmido 104 determinada pelo medidor de fluxo baseado empressão diferencial 114 (Qap) e a vazão volumétrica dofluxo de gás 104 determinada pelo medidor de fluxo baseadoem sonar 116 (Qsonar) / o processador de sinal 134 podedeterminar a umidade, a vazão volumétrica da porção de gáse a vazão volumétrica da porção de líquido do fluxo 104.

Uma medida da umidade do fluxo de gás úmido 104 ou deuma mistura contínua de gás é o número de Lockhart-Martinelli (LM) . O número de LM é definido como a raizquadrada da relação do produto de fluxo em massa de líquidovezes a vazão volumétrica de líquido para o produto defluxo em massa de gás vezes a vazão volumétrica de gás, e édado por:

<formula>formula see original document page 13</formula>

onde Itiuq é o fluxo em massa de líquido, Quq é a vazãovolumétrica de líquido, piiq é o peso específico do líquido,mgas é o fluxo em massa de gás, Qgas é a vazão volumétrica degás e Pgas é o peso específico do gás. 0 medidor de fluxobaseado em pressão diferencial 114 estimará para mais avazão volumétrica do fluxo de gás 104 por uma relação de 1+ aLM, se comparado com o fluxo volumétricô reportado parauma vazão volumétrica equivalente de gás seco. A Figura 5descreve um gráfico desta estimativa para mais (erropositivo de leitura) de um medidor de fluxo baseado emorifício Modelo 1595 de Emerson como uma função do númerode LM e, conforme mostrado, a estimativa para mais é deescala linear com o número de LM.

Em contraste, o medidor de fluxo baseado em sonar 116demonstrou reportar de forma acurada uma vazão volumétricade uma mistura de gás úmida com pouca sensibilidade àumidade. A Figura 6 descreve o desvio entre um medidor defluxo de sonar 116 e uma vazão volumétrica de referênciacomo uma função do número de LM. Conforme mostrado, odesvio é uma função relativamente fraca do número de LM.

Assim sendo:

Qsoaar = Qga, (Eq. 3)

onde Qsonar é a vazão do gás do fluxo 104.

O medidor de fluxo de sonar 116 e o medidor de fluxode diferencial ("medidor de DP") 114 reportará as mesmasvazões para gases secos, e reportará vazões divergentes comumidade crescente. Assim, a combinação das vazõesvolumétricas Qap e Qsonar a partir do medidor de fluxobaseado em pressão diferencial 114 e do medidor de fluxobaseado em sonar 116 provêem uma medida da vazão e daumidade de um fluxo de gás continuo 104, o que pode serdeterminado pelo processador de sinal 134 usando asequações:

<formula>formula see original document page 14</formula>onde α é um coeficiente de sensibilidade à umidadedeterminado empiricamente que pode ser introduzido porvários fatores, tais como fatores ambientais (isto é,temperatura e/ou pressão) e/ou fatores relacionados aomedidor sendo usado (isto é, uma característica de ummedidor individual ou de um grupo de medidores e/ou datolerância do medidor). Deve ser apreciado que um ponto decalibração pode ser adicionado pelo equacionamento dassaídas do medidor de fluxo baseado em pressão diferencial114 e do medidor de fluxo baseado em sonar 116 durantecondições de fluxo em que o gás é conhecido como estandoseco.

Conforme pode ser apreciado, o LM pode ser determinadousando-se as vazões volumétricas medidas (isto é, Qap eQsonar) medidas pelo medidor de fluxo de DP 114 e pelomedidor de fluxo de sonar 116, respectivamente, usando-se aEq. 4b. Conhecendo o número de LM e o peso específico dogás e o do líquido, a vazão volumétrica do líquido pode serdeterminada usando-se a Eq. 2 e a Eq. 3.

Embora a estimativa para mais possa ser definida comoa função linear 1 + aLM, alguém apreciará que a invençãocontempla que a estimativa para mais pode ser definida comoqualquer função adequada para a finalidade desejada, talcomo uma função linear, quadrática, polinomial e/oulogarítmica que defina características de estimativa paramais dos medidores, o que será descrito em maiores detalhesaqui adiante. Em outras palavras, qualquer função deestimativa para mais pode ser usada, que se ajuste de formaacurada à saída dos medidores de fluxo 114, 116 pela faixadesejada de números de LM (por exemplo, ajuste de curva).

0 processador de sinal 134 pode extrair o número deLM, as vazões volumétricas Qap e/ou QSOnar/ a velocidade dasporções de gás e de líquido, ou qualquer combinação dosmesmos, bem como vários outros parâmetros que podem serdeterminados a partir destes valores como um sinal 138. 0sinal 13 8 pode ser provido para um visor 140, para um outrodispositivo de entrada/saída (I/O) 142 ou um outrodispositivo de processamento para processamento posterior.

Mais ainda, o dispositivo de I/O 142 pode aceitar tambémparâmetros de entrada de usuário 144, conforme puder sernecessário para a lógica de fluxo 13 6. A unidade dedispositivo de I/O 142, visor 140 e/ou processador de sinal134 pode ser montada em um alojamento comum, o qual podeser afixado ao arranjo 132 por um cabo flexível, umaconexão sem fio ou similar. 0 cabo flexível também pode serusado para a provisão de potência de operação a partir daunidade de processamento 120 para o arranjo 132, senecessário.

Deve ser apreciado que a relação do número de LM paraa saída do medidor de fluxo de DP 114 (Qap) e o medidor defluxo de sonar 116 (QSOnar) , conforme descrito daqui pordiante, é ilustrada graficamente na Figura 2. Conformemostrado, a diferença 400 entre a vazão volumétrica 402 domedidor de fluxo de DP 114 e a vazão volumétrica 404 domedidor de sonar 116 está relacionada à umidade do fluxo degás 104, e é dada por 1 + aLM. Embora a descrição para omedidor de sonar 116 prove j a um sinal de saídarepresentativo da velocidade ou da vazão do gás a ser usadona determinação da umidade, a invenção contempla quequalquer outra saída do medidor de sonar 116, o qual éinsensível à umidade, pode ser usada para a determinação daumidade do gás.

Com referência à Figura 3, um diagrama de blocos 3 00descreve um algoritmo para a determinação de pelo menos umdentre a umidade, a vazão volumétrica de líquido e a vazãovolumétrica de gás do fluxo de gás úmido 104 fluindo notubo 124. Uma função de saída de cada um dos medidores defluxo 114, 116 é provida, que é dependente de um parâmetroadimensional relativo à umidade do fluxo 104, conformemostrado no bloco operacional 302. O parâmetro adimensional(por exemplo, o número de LM e a relação de fluxo em massade líquido para gás (MR)) é determinado, conforme mostradono bloco operacional 3 04. Conhecendo o parâmetroadimensional, as vazões volumétricas de gás e de líquido( Qap / Qsonar) são determinadas, conforme mostrado no blocooperacional 306. Isto pode ser realizado pelo uso darelação entre a vazão volumétrica ou a velocidade do fluxo104, obtida pelo medidor de fluxo de sonar, e a vazãovolumétrica ou a velocidade do fluxo obtida pelo medidor defluxo de DP (por exemplo, um medidor de venturi) , onde avazão volumétrica do fluxo de gás úmido 104 obtida pelomedidor de fluxo de sonar, QSOnar/ pode ser expressa como:

<formula>formula see original document page 17</formula>

e a vazão volumétrica do fluxo obtida pelo medidor deVenturi, Vventuri, pode ser expressa como:

<formula>formula see original document page 17</formula>

onde α, β e χ são coeficientes de sensibilidade à umidadedeterminados empiricamente, MR é a relação de fluxo emmassa de líquido para gás e Qgas é a vazão volumétrica daporção de gás do fluxo de gás úmido 104. Embora aestimativa para mais do medidor de sonar possa ser definidacomo 1 + aMR e a estimativa para mais do medidor de DP (porexemplo, um medidor de venturi) possa ser definida como 1 +PMR + xMR2, será apreciado que a invenção contempla que aestimativa para mais pode ser definida como qualquer funçãoadequada para a finalidade desejada, tal como uma funçãolinear, quadrática, polinomial e/ou logaritmica que definacaracterísticas de estimativa para mais dos medidores, oque será descrito em maiores detalhes aqui adiante. Maisainda, embora QSOnar seja mostrada como sendo definida pelafunção na Eq. 5 e Qventuri seja mostrada como sendo definidapela função na Eq. 6, deve ser apreciado que QSOnar e Qventuripodem ser definidas por qualquer função adequada para afinalidade desejada, tal como uma função linear,quadrática, polinomial e/ou logaritmica que defina umacaracterística de estimativa para mais do(s) medidor(es),conforme será descrito em maiores detalhes aqui adiante. Emoutras palavras, qualquer função de estimativa para maispode ser usada que se ajuste de forma acurada à saída dosmedidores de fluxo 114, 116 pela faixa desejada de MRs (porexemplo, um ajuste de curva).

O valor para MR pode ser determinado pela resoluçãodas equações acima (Eq. 5 e Eq. 6) para Qgas e oequacionamento das duas equações resultantes, conforme sesegue:

<formula>formula see original document page 18</formula>

Assim, segue-se que:e, portanto,

<formula>formula see original document page 19</formula>

Neste ponto, a vazão de gás, Qgas/ e a vazão delíquido, Qiíq, podem ser determinadas pelo uso das relações

a seguir: ~

<formula>formula see original document page 19</formula>

(Eq. 11)

<formula>formula see original document page 19</formula>

(Eq. 12)

onde Pgas é o peso específico do fluxo de gás e piiq é o pesoespecífico do fluxo de líquido.

Deve ser apreciado que a relação da MR para a saída domedidor de fluxo de DP 114 (Qap) e do medidor de fluxo desonar 116 (QSOnar) / conforme descrito aqui anteriormente, éilustrada graficamente na Figura 4. Conforme mostrado, adiferença 410 entre a vazão volumétrica 412 do medidor defluxo de DP 114 e a vazão volumétrica 414 do medidor desonar 116 é em relação à umidade do fluxo de gás 104, e édada pela diferença de 1 + pMR + XMR2 e 1 + aMR. Embora adescrição do medidor de fluxo de sonar 116 proveja um sinalde saída representativo da velocidade ou da vazãovolumétrica do gás a ser usado na determinação da umidade,a invenção contempla que qualquer outra saída do medidor defluxo de sonar 116, o qual é insensível à umidade, pode serusada para a determinação da umidade do gás.

Adicionalmente, embora o medidor de fluxo de DP 114 sejadescrito como sendo um medidor de venturi, a invençãocontempla que qualquer outro tipo de medidor de fluxo de DPadequado para a finalidade desejada pode ser usado.

Alguém também apreciará que, embora as característicasda saída tenham sido definidas como as vazões volumétricasdos medidores, a presente invenção contempla que ascaracterísticas podem ser definidas por qualquer outrasaída medida pelos medidores de fluxo, tal como velocidadede fluxo, desde que a sensibilidade das saídas à umidadeseja comparável à sensibilidade da vazão volumétricamedida. Em outras palavras, o parâmetro medido do medidorde fluxo de DP 114 é sensível à umidade e a saída medida domedidor de fluxo de sonar 116 é relativamente insensível àumidade do fluxo 104.

Mais ainda, embora a presente invenção defina assaídas do medidor de fluxo de DP 114 e do medidor de fluxode sonar 116 como uma respectiva fórmula a ser resolvida,será apreciado que os dados podem ser providos na forma deuma tabela de consulta para a provisão de vários dentre umparâmetro adimensional (por exemplo, o número de LM, MR) , avazão volumétrica de líquido e a vazão volumétrica de gásdo fluxo 104, em resposta aos parâmetros medidos(velocidade, fluxo volumétrico) dos medidores de fluxo 114,116.

Com referência à Figura 10, o aparelho 112 é mostrado,onde a mistura de gás úmido 104 é dirigida para fluir emuma porção de trecho de gás 108 de um separador 102 e olíquido 106 é dirigido para fluir em uma porção de trechode líquido 110 do separador 102. A mistura de gás 104fluindo no trecho de gás 108 inclui gás e transporte delíquido a partir do separador 102. O fluxo de fluido 100 émostrado sendo introduzido em um separador 102, o qualsepara o fluxo de fluido 100 em uma mistura de gás 104 e umlíquido 106, onde a mistura de gás 104 é dirigida parafluir em uma porção de trecho de gás 108 do separador 102 eo líquido 106 é dirigido para fluir em uma porção de trechode líquido 110 do separador 102. A mistura de gás 104fluindo no trecho de gás 108 inclui gás e transporte delíquido a partir do separador 102. Um aparelho 112 éprovido para medição da umidade e da vazão da mistura degás 104 e pode incluir um medidor de fluxo de diferencial("medidor de DP") 114 e um medidor de fluxo de sonar 116tendo um arranjo de sensores baseados em deformação 118,onde a combinação do medidor de DP 114 e do medidor defluxo de sonar 116 provê medições de vazão para umprocessador de fluxo de saída de separador 120. Conformedescrito em maiores detalhes daqui por diante, usando-se asmedições do medidor de DP 114 e do medidor de fluxo desonar 116, o processador de fluxo de saída de separador 120determina a umidade da mistura de gás 104 no trecho de gás108, bem como a vazão volumétrica do gás e a vazãovolumétrica do transporte de líquido. A vazão volumétricados componentes do transporte de líquido (isto é, óleo eágua) pode ser determinada assumindo-se um corte de águaconhecido ou típico (ou fração de fase) ou pelo uso docorte de água medido, conforme pode ser provido por ummedidor de fluxo de líquido 122 disposto na porção detrecho de líquido 110 do separador 102.

O separador de gás/líquido 102 é um item deequipamento de produção usado para a separação decomponentes líquidos de uma corrente de fluido de entrada100 a partir de quaisquer componentes gasosos. Oscomponentes líquidos e gasosos fluem a partir do separador102 em tubos (trechos) separados 124 e 126, com o trecho124 contendo o componente gasoso 104 e o trecho 126contendo o componente líquido 106. O trecho de líquido 126pode incluir o medidor de fluxo de líquido 122, o qual medea vazão volumétrica do líquido 106 fluindo através dali.

Embora o separador 102 seja descrito como um vaso vertical,o separador de gás/líquido 102 pode ser qualquerdispositivo para separação de gás de um ou mais líquidos.

Por exemplo, o separador 102 pode incluir um vasocilíndrico ou esférico, e pode ser posicionado horizontalou verticalmente. Mais ainda, o separador 102 pode usarsegregação por gravidade, separação centrífuga, separaçãopor ciclone ou quaisquer outros meios conhecidos para arealização da separação, e pode incluir um ou maisestágios.

Deve ser apreciado que o medidor de sonar 116 podecompreender uma pluralidade de sensores ultra-sônicos 118para a provisão de um sinal de saída, por exemplo, umamedição de velocidade. O medidor de fluxo de sonar ultra-sônico 116 é similar àquele descrito no Pedido de PatenteU.S. N0 10/756.977 (Protocolo Legal N0 CC-0700) depositadoem 13 de janeiro de 2004 e no Pedido de Patente U.S. N010/964.043 (Protocolo Legal N0 CC-0778), depositado em 12de outubro de 2004, os quais são incorporados aqui comoreferência.

Deve ser apreciado, ainda, que os sensores 118 tambémpodem incluir medidores de deformação (strain gages)elétricos, fibras óticas e/ou retículos, sensores comporta, dentre outros, conforme descrito aqui, e podem serafixados ao tubo 124 por adesivo, cola, epóxi, fita ououtro meio de afixação adequado para se garantir um contatoadequado entre o sensor e o tubo 124. Adicionalmente, ossensores 118 podem ser alternativamente removíveis ouafixados permanentemente através de técnicas mecânicasconhecidas, tais como prendedor mecânico, carregado pormola, grampeados, em um arranjo de concha de molusco, porcorreias ou outros equivalentes. Alternativamente,medidores de deformação, incluindo fibras óticas e/ouretículos, podem ser embutidos em um tubo compósito 124. Sedesejado, para certas aplicações, retículos podem serdestacados (ou deformados ou isolados acusticamente) dotubo 124, se desejado. Também é contemplado que qualqueroutra técnica de detecção de deformação pode ser usada paraa medição das variações na deformação no tubo 124, taiscomo medidores de deformação altamente sensíveispiezoelétricos, eletrônicos ou elétricos afixados a ouembutidos no tubo 124.

Em várias modalidades da presente invenção, umtransdutor de pressão piezoelétricó pode ser usado como umou mais dos sensores de pressão 118 e pode medir asvariações de pressão não permanentes (ou dinâmicas ou AC)dentro do tubo 124 pela medição dos níveis de pressãodentro do tubo 124. Em uma modalidade da presente invenção,os sensores 118 compreendem sensores de pressão fabricadospela PCB Piezotronics de Depew. Por exemplo, em um sensorde pressão há sensores do tipo de modo de voltagempiezoelétrico de circuito integrado que caracterizamamplificadores microeletrônicos embutidos, e convertem acarga de impedância alta em uma saída de voltagem deimpedância baixa. Especificamente, um Modelo 106B fabricadopela PCB Piezotronics é usado, o qual é um sensor depressão de quartzo piezoelétrico de circuito integrado deaceleração compensada de alta sensibilidade adequado para amedição de fenômenos acústicos de baixa pressão em sistemashidráulicos e pneumáticos. Ele tem a capacidade única demedir pequenas mudanças de pressão de menos de 0,001 psi(6,895 Pa) sob condições de estática alta. 0 106B tem umasensibilidade de 300 mV/psi (1 psi = 6,895 kPa) e umaresolução de 91 dB (0,689 Pa). Os sensores 118 podemincorporar um amplificador microeletrônico MOSFET embutidopara conversão da saída de carga de impedância alta em umsinal de voltagem de impedância baixa. Os sensores 118podem ser ativados a partir de uma fonte de correnteconstante e podem operar por um cabo coaxial ou de fitalongo, sem degradação de sinal. O sinal de voltagem deimpedância baixa não é afetado por um ruído de cabotriboelétrico ou por contaminantes de degradação deresistência de isolamento. A potência para operação dossensores piezoelétricos de circuito integrado geralmenteassume a forma de um suprimento de corrente constante debaixo custo, de 24 a 27 VDC, de 2 a 20 mA.

A maioria dos sensores de pressão piezoelétricos éconstruída com cristais de quartzo de modo de compressãopré-carregados em um alojamento rígido ou cristais deturmalina não restritos. Estes projetos proporcionam aossensores tempos de resposta de microssegundo e freqüênciasressonantes nas centenas de kHz, com um excesso mínimo ousom. Diâmetros de diafragma pequeno asseguram uma resoluçãoespacial de ondas de choque estreitas. A característica desaída de sistemas de sensor de pressão piezoelétricos éaquela de um sistema acoplado AC, onde sinais repetitivosdecaem até haver uma área igual acima e abaixo da linha debase original. Conforme os níveis de magnitude do eventomonitorado flutuam, a saída permanece estabilizada em tornoda linha de base com as áreas positivas e negativas dacurva permanecendo iguais. Mais ainda, é contemplado quecada um dos sensores 118 pode incluir o sensorpiezoelétrico que provê um material piezoelétrico para amedição das pressões não permanentes do fluxo 104. 0material piezoelétrico, tal como um polímero, umfluoropolímero polarizado, PVDF, mede a deformação induzidano tubo de processo 124, devido a variações de pressão nãopermanente dentro do fluxo 104. Uma deformação no tubo 124é traduzida para uma voltagem ou corrente de saída pelossensores piezoelétricos afixados 118.

O material de PVDF que forma cada sensor piezoelétrico118 pode ser aderido à superfície externa de uma cinta deaço que se estende em torno e se grampeia na superfícieexterna do tubo 124. 0 elemento de detecção piezoelétricotipicamente se conforma à medida circunferencial completaou aproximadamente completa de deformação induzida. Ossensores podem ser formados a partir de filmes de PVDF,filmes de copolímero ou sensores PZT flexíveis, similaresàqueles descritos em "Piezo Film Sensors Technical Manual",provido pela Measurement Specialties, Inc., de Fairfield,New Jersey, o qual é incorporado aqui como referência. Asvantagens desta técnica são as seguintes:

1. Medições de vazão não intrusivas;

2. Custo baixo;3. A técnica de medição não requer uma fonte deexcitação. 0 ruído de fluxo ambiente é usado como umafonte;

4. Sensores piezoelétricos flexíveis podem sermontados em uma variedade de configurações para melhoriados esquemas de detecção de sinal. Estas configuraçõesincluem a) sensores co-localizados, b) sensores segmentadoscom configurações de polaridade oposta, c) sensores largospara melhoria da detecção de sinal acústico e minimizaçãode detecção de ruído de vórtice, d) geometrias talhadas desensor para minimização da sensibilidade a modos de tubo,e) diferenciação de sensores para eliminação de ruídoacústico de sinais de vórtice; e

5. Temperaturas mais altas (14 0 °C) (copolímeros).

Lógica de Fluxo

Processamento de Velocidade

Conforme descrito na Patente U.S. N0 6.609.069comumente possuída de Gysling, intitulada "Method andApparatus for Determining the Flow Velocity Within a Pipe",a qual é incorporada aqui como referência em suatotalidade, as pressões não permanentes ao longo de um tubo124 causadas por estruturas coerentes (por exemplo,rodamoinhos turbulentos e perturbações de vórtice) quecriam convecção com um fluido (por exemplo, o fluxo de gás104) fluindo no tubo 124, contém uma informação útilreferente a parâmetros do fluido.

Com referência à Figura 7, um exemplo da lógica defluxo 136 é mostrado. Conforme descrito previamente, oarranjo 132 de pelo menos dois sensores 118 localizados emduas localizações X1, X2 axialmente ao longo do tubo 124detectam respectivos sinais estocásticos se propagandoentre os sensores 118 dentro do tubo 124 em suasrespectivas localizações. Cada sensor 118 provê um sinalindicando uma pressão não permanente na localização de cadasensor 118, em cada instante em uma série de instantes deamostragem. Será apreciado que o arranjo 132 pode incluirmais de dois sensores 118 distribuídos nas localizaçõesXi.-.XN. A pressão gerada pelas perturbações de pressãoconvectiva (por exemplo, rodamoinhos 14 6, veja a Figura 8)pode ser medida através dos sensores 118, os quais podemser sensores baseados em deformação e/ou sensores depressão. Os sensores 118 provêem sinais que variam no tempode pressão analógicos P^ (t), P2(t), P3(t)... Pfj (t) para oprocessador de sinal 134, o qual, por sua vez, aplica estessinais P1Ct), P2(t), P3(t)... PN(t) à lógica de fluxo 136.

A lógica de fluxo 136 processa os sinais Pi (t), P2 (t),P3 (t) . .. Pn(t) para primeiramente proverem sinais de saída(parâmetros) indicativos das perturbações de pressão quecriam convecção com o fluido (gás) 104 e, subseqüentemente,provêem sinais de saída em resposta a perturbações depressão geradas por ondas convectivas se propagando atravésdo fluido 104, tais como velocidade, número de Mach e vazãovolumétrica do fluido 104.

O processador de sinal 134 inclui uma unidade deaquisição de dados 148 (por exemplo, um conversor A/D) queconverte os sinais analógicos Pi (t) . . . Pn (t) em respectivossinais digitais e provê os sinais digitais P1 (t) . . . Pn (t)para a lógica de FFT 150. A lógica de FFT 150 calcula atransformada de Fourier dos sinais de entrada baseados notempo digitalizados P1 (t) . . . Pn(t) e provê sinais de domíniode freqüência complexos (ou baseados em freqüência) Pi (ω),P2(ω), P3(ω), Pn(ω) indicativos do conteúdo de freqüênciados sinais de entrada para um acumulador de dados 152 . Aoinvés de FFT's, qualquer outra técnica para a obtenção dascaracterísticas de domínio de freqüência dos sinaisPi (t) . . . Pn (t) também pode ser usada. Por exemplo, adensidade espectral cruzada e a densidade espectral depotência podem ser usadas para a formação de funções detransferência de domínio de freqüência (ou resposta defreqüência ou relações) discutidas aqui adiante. Umatécnica de determinação da velocidade de convecção dosrodamoinhos turbulentos 14 6 no fluido 104 é pelacaracterização de uma crista convectiva (154 na Figura 9)das pressões não permanentes resultantes usando-se umarranjo de sensores ou outras técnicas de formação defeixe, similar ao que é descrito no Pedido de Patente U.S.N0 de Série (Protocolo da Cidra N° CC-0122A) e no Pedido dePatente U.S. N0 de Série 09/729.994 (Protocolo da Cidra N°CC-0297), depositado em 4 de dezembro de 2000, agora U.S.6.609.069, os quais são incorporados aqui como referência.

O acumulador de dados 152 acumula os sinais defreqüência Pi(ω) - Pn(ω) por um intervalo de amostragem, eprovê os dados para um processador de arranjo 156, o qualrealiza uma transformada espacial - temporal(bidimensional) dos dados de sensor, a partir do domíniox(t) para o domínio k-ω e, então, calcula a potência noplano k-ω, conforme representado por um gráfico k-ω, e,então, calcula a potência no plano k-ω, conformerepresentado pelo gráfico k-ω mostrado na Figura 9. 0processador de arranjo 156 usa um processamento de arranjode formação de feixe assim denominado padrão ou algoritmosde processamento de arranjo adaptativos, isto é, algoritmospara o processamento dos sinais de sensor usando-se váriosatrasos e cálculo de peso para a criação de relações defase adequadas entre os sinais providos pelos diferentessensores, desse modo se criando uma funcionalidade dearranjo de antena em fase. Em outras palavras, osalgoritmos de formação de feixe ou de processamento dearranjo transformam os sinais de domínio de tempo doarranjo de sensor em suas componentes de freqüênciaespacial e temporal, isto é, em um conjunto de números deonda dado por k = 2π/λ, onde λ é o comprimento de onda deuma componente espectral e as freqüências angularescorrespondentes dadas por ω = 2πν.

Deve ser apreciado que a técnica anterior ensinamuitos algoritmos para uso na decomposição espacial etemporal de um sinal a partir de um arranjo em fase desensores, e a presente invenção não está restrita aqualquer algoritmo em particular. Um algoritmo deprocessamento de arranjo adaptativo em particular é ométodo/algoritmo de Capon. Embora o método de Capon sejadescrito como um método, a presente invenção contempla ouso de outros algoritmos de processamento de arranjoadaptativo, tal como o algoritmo MUSIC. A presente invençãoreconhece que essas técnicas podem ser usadas para adeterminação de vazão, isto é, os sinais causados por umparâmetro estocástico em convecção com um fluxo sãoestacionários no tempo e têm um comprimento de coerêncialongo o bastante que é prático para a localização deunidades de sensor espaçadas umas das outras e aindaestando dentro do comprimento coerente. As característicasou parâmetros convectivos têm uma relação de dispersão quepode ser aproximada por uma equação de linha reta:

κ = ω/u, (Eq. 13)

onde u é a velocidade de convecção (velocidade defluxo) . Um gráfico de pares k-ω obtidos a partir de umaanálise espectral de amostras de sensor associadas aosparâmetros convectivos retratados de modo que a energia daperturbação espectralmente correspondente aos pares quepoderiam ser descritos como uma crista substancialmentereta, uma crista que na teoria de camada limite turbulentaé denominada uma crista convectiva. Aquilo que está sendodetectado não são eventos discretos de rodamoinhosturbulentos 164, mas, ao invés disso, um contínuo deeventos possivelmente sobrepostos formando um processoessencialmente branco estacionário temporalmente pela faixade freqüência de interesse. Em outras palavras, osrodamoinhos convectivos 146 são distribuídos por uma faixade escalas de comprimento e, daí, freqüências temporais.

Para o cálculo da potência no plano k-ω, conformerepresentado por um gráfico k-ω (veja a Figura 9) dequalquer um dos sinais, o processador de arranjo 156determina o comprimento de onda e, então, o número de onda(espacial) k e, também, a freqüência (temporal) e, então, af angular ω, das várias componentes espectrais doparâmetro estocástico. Há numerosos algoritmos disponíveisno domínio público para a realização da decomposiçãoespacial/temporal dos arranjos de sensores 118. A presenteinvenção pode usar uma filtração temporal e espacial parapré-condicionar os sinais para efetivamente filtrarem ascaracterísticas de modo comum PCommon mode e outrascaracterísticas de comprimento de onda longo (comparadas aoespaçamento de sensor) no tubo 124 por diferenciação desensores adjacentes 118 e retenção de uma porçãosubstancial do parâmetro estocástico associado ao campo defluxo e quaisquer outros parâmetros estocásticos defreqüência baixa de comprimento de onda curto (comparado aoespaçamento de sensor). No caso de rodamoinhos turbulentosadequados 14 6 (veja a Figura 8) estarem presentes, apotência no plano k-ω mostrada em um gráfico k-ω da Figura9 mostra uma crista convectiva 154. A crista convectivarepresenta a concentração de um parâmetro estocástico quecria convecção com o fluxo e é uma manifestação matemáticada relação entre as variações espaciais e as variaçõestemporais descritas acima. Um gráfico como esse indicaráuma tendência de pares k-ω aparecerem mais ou menos aolongo de uma linha 154 com alguma inclinação, a inclinaçãoindicando a velocidade do fluxo.

Uma vez que a potência no plano k-ω seja determinada,um identificador de crista convectiva 158 usa um ou outrométodo de extração de recurso para a determinação dalocalização e da orientação (inclinação) de qualquer cristaconvectiva 154 presente no plano k-ω. Em uma modalidade,um assim denominado método de empilhamento enviesado éusado, um método no qual as freqüências acumuladas de paresk-ω no gráfico k-ω ao longo de raios diferentes emanando apartir da origem são comparadas, cada raio diferenteestando associado a uma velocidade de convecção detentativa diferente (pelo fato de a inclinação de um raioser assumida como sendo a velocidade de fluxo ou estandocorrelacionada à velocidade de fluxo de uma formaconhecida). 0 identificador de crista convectiva 158 proveuma informação sobre as velocidades de convecção detentativa diferentes, uma informação referida geralmentecomo uma informação de crista convectiva para um analisador160. O analisador 160 então examina a informação de cristaconvectiva incluindo a orientação de crista convectiva(inclinação). Assumindo que a relação de dispersão de linhareta seja dada por κ = ω/u, o analisador 160 determina avelocidade de fluxo, o número de Mach e/ou o fluxovolumétrico, os quais são extraídos como sinais 138. Ofluxo volumétrico é determinado pela multiplicação da áreade seção transversal do interior do tubo 124 pelavelocidade do fluxo de processo.

A presente invenção contempla que o medidor de fluxode sonar 116 pode ser substituído por qualquer um dos tiposde medidores a seguir: um Medidor de Fluxo Ultra-sônico deTempo de Trânsito (TTUF), um Medidor de Fluxo Ultra-sônicode Doppler (DUF) e um Medidor de Fluxo Ultra-sônico deCorrelação Cruzada (CCUF), similares àquilo descrito noartigo "Guidelines for the Use of Ultrasonic Non-InvasiveMetering Techniques" de M.L. Sanderson e H.Yeung, publicadoem 17 de julho de 2002, o qual é incorporado aqui comoreferência. Um CCUF como esse fabricado pela GE PanametricsDigitalFlow™ CTF878, um medidor de fluxo que tem um par desensores ultra-sônicos dispostos axialmente ao longo dotubo, o qual é incorporado aqui como referência.

Deve ser apreciado que, embora a invenção sejadiscutida aqui com referência ao número de Lockhart-Martinelli e/ou Relação em Massa de Líquido para Gás,outros parâmetros não dimensionais relacionados à umidadetambém podem ser usados. Deve ser apreciado, também, que ométodo da presente invenção provê uma medição de fluxo queé muito insensível à umidade, tal como aquela provida pelomedidor de fluxo de sonar. Como tal, a presente invençãopermite uma maior diferença na estimativa para mais entre omedidor de fluxo de sonar 116 e o medidor de DP 114, o quese traduz em medições que têm precisão e resolução maioresdo que os métodos existentes.

Embora a invenção mostrada aqui seja discutida emtermos de medidor (es) de DP, um medidor de sonar e/ou ummedidor ultra-sônico, a presente invenção contempla quequalquer medidor e/ou combinação de medidores adequado paraa finalidade desejada possa ser usado, de modo que osmedidores provejam uma medição de saída tendo uma funçãorepetível de estimativa para mais (ou sinal de saída) comrespeito à umidade do fluxo 104, onde a estimativa paramais é substancialmente menor do que a estimativa para maisdo medidor de DP 114. Quanto maior a diferença naestimativa para mais entre o medidor 116 e o medidor de DP114, maior a precisão e a resolução da medição de umidade.Mais ainda, deve ser apreciado que os medidores (porexemplo, medidor de sonar e medidor ultra-sônico)combinados com o medidor de diferencial, também podemcompreender um grampo não invasivo em sensores ou sensoresúmidos. Deve ser entendido, ainda, que qualquer um dosrecursos, características, alternativas ou modificaçõesdescritas com respeito a uma modalidade em particular aquitambém pode ser aplicado, usado ou incorporado em qualqueroutra modalidade descrita aqui. Embora a invenção tenhasido descrita e ilustrada com respeito a modalidades deexemplo da mesma, o precedente e várias outras adições ouomissões podem ser feitas nela e a ela, sem se desviar doespírito e do escopo da presente invenção.

Adicionalmente, deve ser apreciado que, embora noexemplo mostrado o tubo 124 seja descrito como o trecho degás 108 do separador de gás/líquido 102, é contemplado queo aparelho 112 pode ser usado em qualquer duto, conduto ououtra forma de tubo 124 através do qual um gás 104 podefluir.

O método da invenção pode ser concretizado na forma deum computador ou processos implementados em controlador. Ainvenção também pode ser concretizada na forma de um códigode programa de computador contendo instruções concretizadasem meios tangíveis, tais como disquetes flexíveis, CD-ROMs,discos rígidos e/ou qualquer outro meio que pode ser lidoem computador, onde quando o código de programa decomputador é carregado e executado por um computador oucontrolador, o computador ou controlador se torna umaparelho para a prática da invenção. A invenção também podeser concretizada na forma de um código de programa decomputador, por exemplo, armazenado em um meio dearmazenamento, carregado em e/ou executado por umcomputador ou controlador, ou transmitido por algum meio detransmissão, tal como uma fiação elétrica ou um cabeamento,através de fibras óticas, ou através de radiaçãoeletromagnética, onde quando o código de programa decomputador é carregado em e executado por um computador oucontrolador, o computador ou controlador se torna umaparelho para a prática da invenção. Quando implementado emum microprocessador de finalidade geral, os segmentos decódigo de programa de computador podem configurar omicroprocessador para a criação de circuitos lógicosespecíficos.

Embora a invenção tenha sido descrita com referência auma modalidade de exemplo, será compreendido por aquelesversados na técnica que várias mudanças podem ser feitas eequivalentes podem ser substituídos por elementos da mesma,sem se desviar do escopo da invenção. Além disso, muitasmodificações podem ser feitas para adaptação de umasituação ou de um material em particular aos ensinamentosda invenção, sem se desviar do escopo essencial da mesma.Portanto, pretende-se que a invenção não esteja limitadaà(s) modalidade(s) particular(es) descritas aqui como omelhor modo contemplado para a realização desta invenção.

Claims

1. Aparelho de medição da umidade de um fluxo de gás,o aparelho caracterizado pelo fato de compreender:um medidor de fluxo baseado em pressão diferencialconfigurado para determinar uma primeira vazão volumétricado fluxo de gás;um medidor de fluxo baseado em sonar configurado paraa determinação de uma segunda vazão volumétrica do fluxo degás; eum dispositivo de processamento em comunicação compelo menos um dentre o referido medidor de fluxo baseado empressão diferencial e o referido medidor de fluxo baseadoem sonar, onde o referido dispositivo de processamento éconfigurado para determinar a umidade do fluxo de gásusando as primeira e segunda vazões volumétricas.

2. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de o referido medidor de fluxobaseado em diferencial incluir um par de sensores depressão.

3. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de o referido medidor de fluxobaseado em diferencial ser pelo menos um dentre um medidorde fluxo baseado em placa de orifício, um medidor deventuri, um medidor de fluxo de joelho e um medidor de coneem V.

4. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de o referido medidor de fluxobaseado em sonar incluir um arranjo de pelo menos trêssensores baseados em deformação.

5. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de o referido medidor de fluxobaseado em sonar incluir um medidor de fluxo de sonarultra-sônico.

6. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de o referido medidor de fluxobaseado em diferencial ser disposto em lente oftálmicamenos uma dentre uma localização a montante e umalocalização a jusante a partir do referido medidor de fluxobaseado em sonar.

7. Método de medição da umidade de um fluxo de gás, ométodo caracterizado pelo fato de compreender:a determinação de uma primeira vazão volumétrica dofluxo de gás em resposta a uma pressão diferencial no fluxode gás;a determinação de uma segunda vazão volumétrica dofluxo de gás em resposta às pressões não permanentescausadas por estruturas coerentes em convecção com o fluxode gás; eo processamento da referida primeira vazão volumétricae da referida segunda vazão volumétrica para determinaçãoda umidade do fluxo de gás.

8. Método, de acordo com a reivindicação 7,caracterizado pelo fato de a referida determinação incluira determinação da referida primeira vazão volumétricaatravés de pelo menos um medidor de pressão baseado emdiferencial.

9. Método, de acordo com a reivindicação 8,caracterizado pelo fato de o referido medidor de pressãobaseado em diferencial incluir pelo menos um dentre ummedidor de fluxo baseado em orifício, um medidor deventuri, um medidor de fluxo de joelho e um medidor de coneem V.

10. Método, de acordo com a reivindicação 7,caracterizado pelo fato de a referida determinação incluira determinação da referida segunda vazão volumétrica usandosinais a partir de um arranjo de sensores dispostos emlocalizações axiais diferentes ao longo de um comprimentodo tubo, onde os referidos sinais são em resposta àsreferidas pressões não permanentes causadas por estruturascoerentes em convecção com o fluxo de gás.

11. Método, de acordo com a reivindicação 7,caracterizado pelo fato de a referida determinação incluira determinação da referida segunda vazão volumétricaatravés de pelo menos um medidor de fluxo baseado em sonar.

12. Método, de acordo com a reivindicação 11,caracterizado pelo fato de pelo menos um medidor de fluxobaseado em sonar ser um medidor de fluxo de sonar ultra-sônico.

13. Método, de acordo com a reivindicação 7,caracterizado pelo fato de o referido processamento incluiro processamento da referida primeira vazão volumétrica e dareferida segunda vazão volumétrica para a determinação donúmero de Lockhardt Martinelli (LM), o qual é dado por: <formula>formula see original document page 38</formula>

14. Método, de acordo com a reivindicação 7,onde miiq é o fluxo em massa de líquido, Qnq é o fluxovolumétrico de líquido, mgas é o fluxo em massa de gás e Qgasé o fluxo volumétrico de gás.caracterizado pelo fato de o referido processamento incluiro processamento da referida primeira vazão volumétrica e dareferida segunda vazão volumétrica para a determinação darelação de fluxo de massa de gás (MR) em resposta a:<formula>formula see original document page 39</formula>onde α, β e χ são coeficientes de sensibilidade de umidade,Qgas é a velocidade superficial do gás , Vventuri ® avelocidade do fluxo obtida pelo medidor de venturi e Vsonaré a velocidade do fluxo obtida pelo medidor de fluxobaseado em SONAR.

15. Método, de acordo com a reivindicação 14,caracterizado pelo fato de Qsonar estar relacionado com Qgaspela relação:Qsonar = (1 + aMR)Qgils.

16. Método, de acordo com a reivindicação 14,caracterizado pelo fato de Qventuri estar relacionado com Qgaspela relação:Qve11Um = (í + PMR + XMR2)Qg35.

17. Método, de acordo com a reivindicação 14,caracterizado pelo fato de o referido processamento incluira determinação da vazão de gás, Qgasi usando a relação:<formula>formula see original document page 39</formula>

18. Método, de acordo com a reivindicação 14,caracterizado pelo fato de o referido processamento incluira determinação da vazão de liquido, Qnq, usando a relação:<formula>formula see original document page 40</formula>

19. Método, de acordo com a reivindicação 14,caracterizado pelo fato de os referidos coeficientes desensibilidade de umidade, α, β e χ serem determinadosempiricamente.

20. Aparelho para a medição de um parâmetro de umfluxo de gás úmido, o aparelho caracterizado pelo fato decompreender:um primeiro dispositivo de medição para a medição deuma pressão diferencial, onde o referido primeirodispositivo de medição é configurado para determinar umaprimeira característica do fluxo de gás úmido, a referidaprimeira característica sendo a sensibilidade à umidade dofluxo de gás úmido;um segundo dispositivo de medição, onde o referidosegundo dispositivo de medição é configurado paradeterminar uma segunda característica do fluxo de gásúmido, a referida segunda característica sendorelativamente insensível à umidade do fluxo de gás úmido; eum dispositivo de processamento em comunicação compelo menos um dentre o referido primeiro dispositivo demedição e o referido segundo dispositivo de medição, onde oreferido dispositivo de processamento é configurado paradeterminar o parâmetro do fluxo de gás úmido usando asreferidas primeira e segunda características.

21. Aparelho, de acordo com a reivindicação 20,caracterizado pelo fato de o parâmetro medido ser pelomenos um dentre umidade, vazão de líquido volumétrica,vazão de gás volumétrica e velocidade de gás.