BRPI0804637A2 - instrumento para aferição eletrÈnica do nìvel e das proporções de um sistema de múltiplos componentes - Google Patents

Abstract

A presente invenção trata da medição das proporções entre componentes de um fluido que atravessa uma tubulação ou que se encontra armazenado. Tais proporções podem ser aferidas utilizando-se a medida simultânea da condutância e da capacitância em diferentes frequências de sondas capacitivas, cujos elementos de separação dos eletrodos capacitivos são os componentes do próprio fluido. As medidas são realizadas por uma sonda formada por um par de cilindros coaxiais metálicos, revestidos ou não por material dielétrico resistente à corrosão, ligado a um suporte mecânico também dielétrico. A ligação eletrónica é feita através de cabos conectando cada sonda aos seus respectivos circuitos eletrónicos. Estes circuitos são responsáveis pela geração do sinal alternado com frequências variáveis que polariza a sonda permitindo a medição da capacitância e da condutância. Além destes circuitos, prevê-se um sensor de temperatura responsável pela compensação em temperatura das capacitâncias e constantes dielétricas inferidas. O sistema aqui proposto também pode ser aplicado para a aferição do nível da interface entre os componentes de um fluido, bem como do nível da interface líquido-líquid[o ou líquido-gás em reservatórios ou em tanques de estocagem. No caso de componentes imiscíveis, o sistema baseia-se na medição de várias sondas imersas no fluido em questão ou em uma única sonda que se movimenta ao longo do reservatório. Um exemplo peculiar é a aferição de nível em tanques de estocagem de petróleo.

Description

INSTRUMENTO PARA AFERIÇÃO ELETRÔNICA DO NÍVEL EDAS PROPORÇÕES DE UM SISTEMA DE MÚLTIPLOS COMPONENTES

O presente invento se mostra como um dispositivo medidor do nível de fluidosestocados ou em dutos, bem como das proporções entre os constituintes para ocaso de fluidos miscíveis. O grande diferencial do instrumento aqui proposto é oprocesso de medida, baseado na estimativa simultânea da capacitância e dacondutância do meio em diferentes freqüências.

De fato, o dispositivo é dotado de sondas coaxiais que podem ser dispostas aolongo de um tanque de estocagem, ou colocadas individualmente em seções deum duto de transporte. Para o caso dos fluidos em um tanque, isto é, emrepouso, é possível inferir o nível do fluido, através da aferição da posição dainterface gás-líquido. Se o fluido for composto por vários componentes numamistura imiscível, é possível estimar a posição das interfaces pela mesma técni-ca. A estimativa da posição das interfaces é feita por comparação entre osresultados obtidos para a capacitância e condutância, em diferentes freqüências,da região onde cada sonda está imersa. A princípio, o número de sondasutilizadas deve ser tal que se tenha pelo menos uma sonda em cada fase damistura. Pode-se optar também pelo uso de uma sonda móvel, que percorreráverticalmente o tanque, transitando entre as fases da mistura.

No caso de dutos, uma sonda coaxial instalada em seu interior deve medir ograu de preenchimento do duto, assim como a proporção entre os constituintesda mistura que compõe o fluido. Neste caso a estimativa da proporção é feitacom base em uma comparação entre as medidas e um banco de dados. Métodosemelhante é proposto por S. I. Al-Mously (lOth Mediterranean ElectrotechnicalConference, MELeCon 2000, Vol II, 742-745), sendo que no entanto não sepropõe a medida da condutância, somente da capacitância, e ainda é utilizadaapenas uma freqüência: 10 KHz.

Mais especificamente, o presente invento apresenta aplicação na medida denível nos tanques de estocagem de petróleo bruto e de seus derivados. Nestestanques, o dispositivo permite aferir o nível das interfaces ar-óleo, óleo-emulsãoe emulsão-água. Este tipo de medida é feito atualmente utilizando-se um sistemadotado de uma trena, com leitor digital, acoplada a uma bóia, a qual reage aoempuxo aplicado pelo óleo.

A técnica está descrita na patente de número PI8706864-8, sendo adotada comosistema padrão de aferição de nível em tanques pelo INMETRO.Já a medida das interfaces óleo-emulsão e emulsão-água nos tanques se dá pormeio da coleta de amostras, utilizando-se válvulas dispostas em diferentesalturas ao longo da parede externa do tanque. O Operador analisa visualmente omaterial colhido a cada altura, e infere sua composição. Uma segunda análise domaterial coletado se dá no laboratório.

Comparando o presente invento com o método descrito no parágrafo anterior,pode-se notar que ao contrário das técnicas atuais, o invento aqui apresentadopermite: inferir, em tempo real, o nível do tanque e a posição das interfaces; oconstante monitoramento dos níveis, sem a necessidade de um operador, ou daabertura do tanque; e uma localização precisa das interfaces - o erro é funçãoapenas do comprimento da sonda.

A medida do nível em outros tipos de tanques, os quais comportam fluidosde apenas uma fase (ou componente), tais como tanques de combustível emautomóveis, já é feita por meio de sensores capacitivos. Algumas patentes quedescrevem este tipo de instrumento são: PI8207689-8; PI8806131-0;PI8504702-3; PI9103154-0 e PI9204583-4. Há também sensores baseados emmedidas de resistividade, conforme, por exemplo, PI9700308-5. E aquelesbaseados no emprego de fibras ópticas (veja por exemplo MV7301549-0). Pode-se encontrar ainda dispositivos comerciais para medidas de nível em tanques degrande capacidade baseados em: flutuadores, radares ou ultra-som. Estesmétodos competem entre si em termos de custos de instalação, custos demanutenção, complexidade de operação e precisão. Contudo não são eficientespara tanques que armazenam fluidos polifásicos.

Sistemas que inferem a proporção entre os componentes de um sistema demuitas fases são empregados atualmente ao longo de dutos de distribuição deóleo, sensíveis, em geral, a mudança da constante dielétrica entre diversoseletrodos introduzidos no duto. Com um arranjo deste tipo é possível fazer umatomografia do interior do duto (veja, por exemplo, Chen, Deyun, e Lili Wang,Mouzun, IEEE IMSCCS, 2006). Esta técnica produz muito mais informação doque é necessário em grande parte das aplicações. O presente invento écomparativamente mais simples, em termos de implantação, operação eprocessamento dos dados. Consequentemente também é mais barato.

No caso do presente invento, a aferição é baseada na medida simultânea dacapacitância e da condutância do meio no qual a sonda está imersa. A capacitân-cia de um meio é a quantidade de energia elétrica que pode ser armazenadaneste meio, por uma dada tensão (ou diferença de potencial), enquanto umacorrente que oscila numa dada freqüência o atravessa. A capacitância entre umpar de eletrodos cilíndricos concêntricos é conhecida analiticamente:<formula>formula see original document page 4</formula>

em que S é a permissividade do meio, b e a são os raios dos cilindros externose internos, respectivamente. Lembrando que neste caso o meio é formado porapenas uma fase.

No caso de duas fases bem comportadas, a expressão será:

<formula>formula see original document page 4</formula>

em que Sn é a permissividade do meio n, dn é o comprimento que o meio nocupa no interior do cilindro. Nos casos mais realísticos, são deduzidasexpressões empíricas, resultantes de testes realizados em bancada previamente. Eimportante lembrar que a permissividade é função da freqüência da corrente queatravessa o meio. Como esta dependência funcional pode variar bastante de ummeio para outro, ou ainda, de uma proporção de constituintes do meio paraoutra, é essencial realizar as medidas de capacitância em diferentes freqüências.Já a condutância do meio é o recíproco da impedância do meio, ou,analogamente, da tangente de perda do meio. Logo, está associada à razão 15entre a quantidade de carga que atravessa um meio, quando este está sujeito auma diferença de potencial.

Combinando as duas medidas, condutância e capacitância, para um mesmosistema, é possível recuperar a informação do nível, para uma interface bemcomportada, ou das proporções entre os constituintes, no caso de uma emulsão.

Têm-se nos próximos parágrafos uma descrição do invento, acompanhado dadescrição das figuras.

Como se pode ver nas figuras 1 e 2, o elemento sensor é dotado de umconjunto de dois eletrodos cilíndricos coaxiais, isolados eletricamente entre si,assim como do fluído no qual estão imersos. Tanto na fig. 1 quanto na fig. 2têm-se: 1) Cilindro externo, aterrado, pintado com tinta epóxi para isolamentoelétrico em relação ao fluido; 2) Eletrodo cilíndrico que envolve maisexternamente o fluido que atravessa o sensor, é recoberto comPolitetrafluoretileno ( PTFE ); 3) Segundo eletrodo cilíndrico, interno. Tambémé revestido por PTFE; 4) Isolantes de PTFE que impedem o contato entre oseletrodos. Estes isolantes também funcionam como passadores para os cabosque polarizam os eletrodos; e 5) Camada isolante homogênea de PTFE a qualsepara o eletrodo mais externo do cilindro aterrado.A opção por utilizar diversos sensores dispostos ao longo de uma haste e nãoapenas um sensor se dá devido ao fato de que a precisão é função docomprimento do sensor. E possível obter, com o método aqui descrito, umaprecisão no nível da ordem de 1 % do comprimento do sensor.

Nas figuras 3 e 4 é ilustrado o arranjo dos sensores ao longo da haste, sendo queno primeiro caso temos uma visão ao longo do eixo da haste, indicando 5 adisposição radial dos sensores. No segundo caso vê-se a disposição longitudinaldestes. Nestas figuras têm-se: 1) Perfil metálico extrudado, dotado de dutointerno e com uma geometria que permite uma montagem e desmontagem rápi-da dos elementos sensores. Permite ainda, uma flexibilidade no número deelementos e na sua disposição em torno do eixo da haste; 2) Estrutura de PTFEque une o elemento sensor à haste. Ela possui passadores para o cabeamento e éfixada a uma fita metálica, a qual é presa na haste de suporte. A montagem,deste modo, permite mobilidade ao conjunto; e finalmente 3) os sensores cilín-dricos concêntricos.

Na figura 5 é exposto o layout do circuito de suporte para as sondas. Nele,um oscilador gera um sinal FIN de referência, que é dividido em várias sub-harmônicas através de um Divisor de Freqüências. Estes sinais são selecionadosutilizando-se um multiplexador (VMUX), cujo sinal de saída passa por um cir-cuito de Driver. Este circuito de Driver tem uma saída individual para cadasensor. Uma impedância Z conhecida é adicionada ao circuito de cada sensor,permitindo, então, que se consiga inferir as impedâncias dos sensores para asdiversas freqüências selecionadas convenientemente. Um Conversor Analógico-Digital (CAD) permite a medida de corrente e tensão sobre os sensores, e porconseguinte estimando-se o valor de Z. Estes valores de corrente e tensãocaracterizam a impedância do sensor para uma determinada freqüência e,consequentemente, determinam a permeabilidade do meio.

O conjunto das medidas, em toda faixa espectral, fornece elementos neces-sários para a identificação do percentual de cada meio. Pelo menos um sensordeve estar completamente imerso em um dos meios dos quais se deseja saber aquantidade existente. Este sensor imerso por inteiro em um dos meios serve dereferência para auto-calibração do sistema. As medidas digitalizadas sãoadquiridas por um micro-controlador que escolhe as freqüências, os sensores esuas respectivas impedâncias de linha (Z) para montar a matriz de medidas.

Finalmente, uma interface para Micro-computador é usada para transferir osdados armazenados das diversas matrizes de medidas. A análise destas matrizes,por meio de ajustes numéricos das curvas obtidas, pode ser automatizada,conforme a situação na qual este instrumento for empregado.

Claims (10)

1. Instrumento para aferição eletrônica do nível e das proporções de um sistemade múltiplos componentes de um fluido, baseado nas medidas simultâneas dascapacitâncias e das condutâncias. Estas medidas são feitas em diferentesfreqüências, utilizando-se sondas imersas no fluido, cujos elementos deseparação dos eletrodos capacitivos são os próprios componentes deste fluido. Oinstrumento é caracterizado por uma ou mais sondas formadas por um par deeletrodos cilíndricos coaxiais. Os eletrodos podem ou não ser revestidos pormaterial dielétrico anti-aderente e resistente à corrosão tais comoPolitetrafluoretileno ( PTFE ), vidro ou cerâmica, sobretudo quando da medidaem fluidos com componentes condutores. A coaxialidade dos eletrodos émantida por meio de espaçadores dielétricos inertes e não aderentes ao fluido,como, por exemplo, Politetrafluoretileno ( PTFE ), vidro ou cerâmica. Taisespaçadores devem permitir livremente o escoamento longitudinal do fluidoentre os eletrodos do capacitor coaxial.

2. Processo de medida, assinalado na reivindicação 1, caracterizado pelaimersão completa ou parcial da sonda no meio a ser aferido. Os eletrodos quecompõem a sonda são polarizados com um sinal AC que varre toda a bandaentre 10 MHz e 0, 5 MHz, de modo que se pode inferir a tangente de perda, ou acondutância do meio, medindo a corrente entre os eletrodos. Simultaneamente,pode-se inferir a capacitância ou a constante dielétrica do meio, medindo-se acapacitância entre os eletrodos que compõem a sonda. No caso de componentesimiscíveis, o sistema baseia-se na medição de várias sondas imersas no fluidoem questão ou em uma única sonda que se movimenta ao longo doreservatório.

3. Circuito eletrônico para polarização da sonda descrita na reivindicação 1 epara realização do processo de medida da reivindicação 2. Este circuitoeletrônico é composto por um gerador de sinais de 10 MHz, que, acoplado a umdivisor, disponibiliza sinais em 10 MHz, 5 MHz, 2,5 MHz, 1, 25 MHz e 0,625MHz, ou um circuito sintetizador de freqüências de 10 MHz a 0, 5 MHz, queserão utilizados para polarizar a sonda da reivindicação 1. Um circuito driverpor sonda utilizado para prover o sinal de polarização. Um circuito comimpedância conhecida é ligado em série com a sonda para permitir a estimativada capacitância e da condutância. Além destes circuitos, prevê-se um sensor detemperatura responsável pela compensação em temperatura das capacitâncias econstantes dielétricas inferidas.

4. Arranjo mecânico para medida de nível em tanques de estocagem,caracterizado por um espaçamento entre sondas da reivindicação 1. de modo aminimizar a influência ou interferência das sondas adjacentes, pela disposiçãohelicoidal dos sensores da ao longo de uma haste de sustentação. Paramaximizar a confiabilidade das medidas, as sondas podem ter uma sobreposiçãoentre elas.No caso de medições em fluidos em uma tubulação, utiliza-se uma única sonda,garantidas as reivindicações 2. e 3.

5. Aplicação da presente invenção na medida do nível da interface ar-óleo emtanques de estocagem de petróleo bruto, assim como na medida do nível da in-terface óleo-emulsão nestes tanques. No caso de componentes imiscíveis ou, osistema baseia-se na medição de várias sondas imersas no fluido em questão ouem uma única sonda que se movimenta ao longo do reservatório, garantidas asreivindicações 2. e 3.

6. Aplicação da presente invenção na medida de nível em tanques de gás li-quefeito utilizando-se uma sonda móvel ou um arranjo de sondas, instaladas nointerior do tanque, garantidas as reivindicações 2., 3. e 4.

7. Aplicação da presente invenção na medida de nível em recipientescontendo gás liqüefeito criogênico, utilizando-se uma sonda móvel ou umarranjo de sondas, instaladas no interior do tanque ou do dewar, garantidas asreivindicações 2., 3. e 4.

8. Aplicação da presente invenção na medida do volume de gás comprimidoem um reservatório cuja quantidade é diretamente ligada à densidade. Nestecaso somente uma sonda, conforme a reivindicação 1., é necessária para amedida, seguindo o método descrito na reivindicação 2. e 3.

9. Aplicação da presente invenção na medida do grau de preenchimento dedutos de transporte de fluidos. Para tal, a sonda coaxial descrita na reivindicação-1. deve ter o cilindro externo com o mesmo raio do duto, e o raio do cilindrointerno deve ser escolhido de tal maneira que não comprometa o fluxo e nem asensibilidade do instrumento. O processo de medida e a eletrônica necessária se-guem as reivindicações 2. e 3., respectivamente.

10. Aplicação da presente invenção na medida das proporções dosconstituintes de um fluido que atravessa determinada seção de um duto detransporte. A sonda deve ser montada conforme descrição presente nareivindicação 9., garantidas as reivindicações 2. e 3.