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Title:
ASSEMBLY AND METHOD FOR MEASURING A FLUID FLOW
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/195910
Kind Code:
A1
Abstract:
The present invention consists in an assembly for measuring a flow, which comprises a tube made from a material having piezoelectric properties, preferably PVDF, electrodes and, lastly, auxiliary instrumentation, with the aim of amplifying and digitizing the electrical signals captured from the tube on the basis of the flow of a fluid, thereby dispensing with the need to use a transducer coupled to the tube, since the actual tube used to convey fluids functions as the transducer, thereby reducing the cost in terms of equipment and the time needed to set up and install the instruments.

Inventors:
REIS MEDEIROS, Khrissy Aracélly (Estrada Santa Marinha, 134 casa 0, Gávea -240 Rio de janeiro, 22451-240, BR)
HALL BARBOSA, Carlos Roberto (Rua César Lattes, 560 Ap. 407 Bl, Barra da Tijuca -329 Rio de Janeiro, 22793-329, BR)
MORAES D' ALMEIDA, José Roberto (Avenida Engenheiro Richard 186/Apto 302, -098 Rio de Janeiro, 20561-098, BR)
SANT'ANNA RIBEIRO, Alexandre (Rua Vice Governador Rubens Berardo, 175 apto 1107 - Bl 3, -070 Rio de Janeiro, 22451-070, BR)
MEDEIROS PROENÇA DE GOUVÊA, Paula (Rua Alberto de Campos, 10 Bloco A, apt. 30, Ipanema -030 Rio de Janeiro, 22411-030, BR)
BRAGA DE PAULA, Igor (Rua Marquês de São Vicente 188, ap 805, -041 Rio de Janeiro, 22451-041, BR)
RAMOS LOUZADA, Daniel (Rua Alice, 278 ap. 40, Laranjeiras -020 Rio de Janeiro, 22241-020, BR)
Application Number:
BR2019/050132
Publication Date:
October 17, 2019
Filing Date:
April 11, 2019
Export Citation:
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Assignee:
FACULDADES CATÓLICAS (Rua Marquês de São Vicente, 225Gávea, -900 Rio de Janeiro - RJ, 22451-900, BR)
International Classes:
G01F1/56; G01F25/00; G01H11/08; H01L41/08
Domestic Patent References:
WO2017138542A12017-08-17
Foreign References:
GB2246629A1992-02-05
US4216403A1980-08-05
CN102421832A2012-04-18
EP1599705B12019-01-02
GB2148504A1985-05-30
US7249525B12007-07-31
BR102014021167A22015-09-22
US7400985B22008-07-15
US6510738B12003-01-28
Other References:
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Attorney, Agent or Firm:
RODRIGUES SILVA, Francisco Carlos et al. (Praça Floriano, 19 28º andar, Centr, -050 Rio de Janeiro RJ, 20031-050, BR)
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Claims:
Reivindicações

1. CONJUNTO PARA MEDIÇÃO DE VAZÃO DE FLUIDO, caracterizado por compreender um tubo (03), de material piezoelétrico, provido em sua superfície externa de dois eletrodos (4a) e (4b) dispostos paralelamente entre si, onde os referidos eletrodos (4a) e (4b) estão na direção transversal à direção da vazão no interior do tubo, um eletrodo (4a) estando posicionado a montante do outro (4b), com os referidos eletrodos (4a) e (4b) conectados a um amplificador de carga (09) por meio de cabos (5a) e (5b) respectivamente, na sequência o referido amplificador de carga (09) é conectado a uma placa digitalizadora A/D (10) por meio de um cabo (07), onde a referida placa digitalizadora A/D (10) está conectada a um computador (14) por meio de um cabo (17).

2. CONJUNTO PARA MEDIÇÃO DE VAZÃO DE FLUIDO, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato dos eletrodos (4a) e (4b) serem preferencialmente fitas de cobre com adesivo condutivo.

3. CONJUNTO PARA MEDIÇÃO DE VAZÃO DE FLUIDO, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato do amplificador de carga (09) e a placa digitalizadora A/D (10) serem equipamentos de baixo nível de ruído.

4. CONJUNTO PARA MEDIÇÃO DE VAZÃO DE FLUIDO, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato do tubo (03) ser preferencialmente PVDF.

5. CONJUNTO PARA MEDIÇÃO DE VAZÃO DE FLUIDO, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por compreender um circuito eletrónico integrado (30) compreendendo amplificador, digitalizador (conversor A/D) e meios para processamento dos sinais captados a partir dos eletrodos acoplados ao tubo e meios (31 ) para visualização dos sinais processados e da vazão estimada.

6. MÉTODO PARA MEDIÇÃO DE VAZÃO DE FLUIDO, caracterizado pelo fato de compreender as seguintes etapas:

a) Acoplar os eletrodos (4a) e (4b) no tubo (03) para a captação de sinais elétricos (1 1 );

b) Transmitir os sinais elétricos (1 1 ) captados pelos eletrodos (4a) e (4b) a um amplificador de carga (9);

c) Amplificar os sinais elétricos (1 1 ) pelo amplificador de carga (9); d) Transmitir os sinais elétricos amplificados (12) a uma placa digitalizadora A/D (10) / um digitalizador (conversor A/D);

e) Digitalizar os sinais elétricos amplificados (12) pela placa digitalizadora A/D (10) / digitalizador (conversor A/D);

f) Transmitir os sinais elétricos digitalizados (13) a um computador

(14);

g) Armazenar os sinais elétricos digitalizados (13) por meio de um programa de computador;

h) Exibir os sinais elétricos digitalizados (13);

i) Processar os sinais elétricos digitalizados (13) para extrair o desvio padrão;

j) Estimar a vazão do fluido; e

k) Exibir a vazão do fluido

Description:
CONJUNTO E MÉTODO PARA MEDIÇÃO DE VAZÃO DE FLUIDO

Campo da Invenção

[001] A presente invenção trata sobre medição da vazão de fluido que escoa através de uma tubulação.

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 do sistema, análise de processos, contabilidade de rendimento e consumo.

[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 torna-se 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, 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 é o conhecimento do tipo de fluido (líquido, gás, vapor) e suas propriedades, bem como as características de escoamento. A Reologia é a ciência da deformação e escoamento da matéria e a medição de escoamento de fluidos é um subconjunto deste campo (EVANS, 2004). 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 tipo de classificação para uma melhor observação da variedade de modelos e técnicas utilizadas.

[009] Apesar disso, 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 (GONÇALVES, 2012). Uma forma plausível de classificar medidores de vazão encontra-se no Quadro 1 abaixo, classificação de princípios de medição de vazão, fonte: DELMÉE, (2003), de acordo com o princípio de medição.

Quadro 1

[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. Como exemplo, tem-se um dos medidores autorizados para medições fiscais e transferência de custódia de gás natural na indústria do petróleo, a placa de orifício.

[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] Ainda nessa linha de medidores autorizados para medições fiscais e transferência de custódia de gás natural no Brasil, encontram-se os medidores lineares do tipo turbina e ultrassónicos. O medidor tipo turbina usa um rotor que gira a uma velocidade proporcional à velocidade do fluido que passa no rotor. As revoluções da palheta podem ser contadas e relacionadas à velocidade do fluido. Medidores tipo turbina são intrusivos e tendem a se deteriorar rapidamente por depósitos minerais, tornando-os inutilizáveis para a aplicação na indústria do petróleo. Além disso, apesar desses medidores fornecerem uma excelente exatidão, repetitividade e faixa de operação, não são eficientes com fluidos com redemoinhos e não são recomendados para aplicações que utilizam fluidos de alta viscosidade. Os medidores tipo turbina estão sujeitos ao desgaste nas palhetas da turbina e têm que ser calibrados para cada aplicação específica, o que encarece apreciavelmente os custos de instalação e manutenção.

[013] Já quanto aos medidores de vazão ultrassónicos, existem os que operam 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 ultrassónicos 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 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 ultrassónicas, o que leva estes medidores a produzirem falsas indicações.

[014] Para a medição de petróleo, tem-se o próprio medidor ultrassónico por tempo de trânsito descrito acima e, além dele, os medidores por deslocamento positivo e o mássico Coriolis.

[015] Os medidores por deslocamento positivo (ou volumétricos) destinam-se a medir volumes incrementais à medida que o volume é preenchido e esvaziado. Os volumes cheios são contados para determinar o fluxo. Estes transdutores são invasivos e intrusivos e necessitam de modificações no duto para a instalação. Na indústria do petróleo, destacam-se os tipos rotor de lóbulos e de engrenagem que, geralmente, precisam de um filtro para impedir que a parte móvel venha a travar em virtude de partículas sólidas.

[016] Finalizando o tema dos tipos de medidores, tem-se ainda, dentre os 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. [017] Ainda sobre medidores lineares, vale ressaltar os medidores que, apesar de depender de aprovação prévia, podem ser utilizados como medidores de vazão na indústria petrolífera. Um deles é 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 usados 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.

[018] 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 eletrónica converte-a em taxa de vazão volumétrica. Este medidor aplica-se a gases, vapor saturado e superaquecido, e líquidos. Apresenta baixa perda de carga, maior faixa de operação, exatidão, relação linear, menores custos de instalação e manutenção, compensação de pressão e temperatura, medição de vazão volumétrica normalizada e/ou mássica.

[019] 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.

[020] Agora será falado um pouco sobre as propriedades do material utilizado na invenção aqui descrita, focando principalmente em sua fase b.

[021] O PVDF é um polímero semicristalino que apresenta as fases amorfa e cristalina se alternando. A fase cristalina é formada por regiões ordenadas com as cadeias alinhadas em camadas, resultando em uma rede tridimensional empacotada, enquanto que na fase amorfa, as cadeias apresentam uma configuração emaranhada.

[022] O grau de cristalinidade é de aproximadamente 50%, podendo variar entre 35% e até mais do que 70%, dependendo do método de polimerização e do histórico termomecânico.

[023] As regiões cristalinas do PVDF podem apresentar pelo menos cinco diferentes estruturas cristalinas designadas como a(II), b(I), g(III), õ(IV), s(V) - polimorfos. Apesar de todas já terem sido pesquisadas, as fases a, b e g estão mais bem estabelecidas na literatura.

[024] Estas fases cristalinas possuem propriedades térmicas, elétricas e elásticas diferentes, e estão presentes em diferentes proporções no material, dependendo de uma variedade de fatores que afetam o desenvolvimento da estrutura cristalina. As condições sob as quais uma conformação ou outra se forma resultam fortemente do processamento e dos tratamentos elétricos, térmicos ou mecânicos que o polímero sofre.

[025] Agora será falado um pouco sobre a fase b manifestada no PVDF, fase esta fundamental para a invenção, devido as suas propriedades piezoelétricas. [026] A fase b é cineticamente estável em temperatura e pressão ambientes. Tem um modelo de preenchimento espacial ziguezague planar, com uma conformação distorcida do tipo all-trans (TTTT) onde os átomos do hidrogénio positivo e do flúor negativo encontram-se inteiramente alinhados em uma direção. Esta conformação leva a um caráter pseudo-hexagonal único da estrutura, o que facilita grandemente a comutação ferroelétrica.

[027] A célula unitária da fase b é bastante polar, tem densidade de 1 ,97 g/cm 3 e apresenta simetria ortorrômbica com parâmetros de rede: a = 0,850 nm, b = 0,491 nm e c = 0,256 nm, pertencente ao grupo espacial Cm2m.

[028] Esta estrutura cristalina permite uma densidade de empacotamento mais compacta e reduz a tensão intermolecular permitindo maior movimento da cadeia. Isto possibilita a obtenção de momentos de dipolo que podem ser sobrepostos gerando um momento dipolar resultante em torno de 7,0 x 10 3 ° C.m (2,1 debye) que acarreta em um forte efeito dielétrico dando origem a uma grande polarização espontânea. A fase b tem, portanto, uma polarização de 131 mC.m 2 e exibe a atividade elétrica mais forte de todas as modificações cristalinas.

[029] Deste modo, após a aplicação de campo elétrico externo, o PVDF - b apresenta boa propriedade piezoelétrica, o que faz com que b seja a fase preferencial do ponto de vista tecnológico para aplicação em sensores. Essa estrutura satisfaz a exigência de simetria de um cristal piezoelétrico, o que significa que o cristal pertence a uma classe não centrossimétrica, sendo esta, portanto, a forma responsável pelas propriedades piezoelétricas do PVDF.

[030] Os polímeros piezoelétricos são extremamente úteis na monitoração de vibrações e no controle de estruturas flexíveis. Não só podem ser usados para medir a extensão de deflexão e as frequências de vibração, como também podem controlar a estrutura. Os piezoelétricos em geral podem ser ligados a superfícies ou podem ser incorporados dentro das estruturas [031] As principais vantagens da utilização de materiais piezoelétricos em estruturas são que eles detectam deslocamentos de nível micrométrico em altas frequências e usam pouca energia para atuação. Entretanto o material piezoelétrico deve ser integrado em estruturas que também incluem um substrato e uma camada protetora (102).

[032] De modo geral, sensores baseados em filme PVDF podem ser aplicados mesmo em meios erosivos para detectar pressão, na medição de ondas de choque (ou onda de impacto) e, por serem considerados biocompatíveis, podem se usados em aplicações biológicas para auxiliar cirurgias minimamente invasivas, testar e caracterizar tecidos e monitorar a saúde humana. Também para montagem de microdispositivos como MEMS de superfície, por apresentarem vantagens como flexibilidade mecânica, menor custo de fabricação e processamento, sendo excepcionalmente sensíveis e mais rápidos do que aqueles baseados em silício.

[033] A maioria destas aplicações baseia-se nas magnitudes relativas quer da tensão ou taxa de variação da tensão gerada pelo sensor, quer do espectro de frequência do sinal gerado pelo sensor. E cada uma tem seus próprios requisitos de microestrutura.

[034] Agora será falado um pouco sobre o método de Flow Induced Vibration (FIV) utilizado na presente invenção.

[035] 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 e 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 destas falhas serem muito caras em termos de reparos e perda de produção, as vibrações induzidas em tubulações são indesejáveis.

[036] 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.

[037] A medição de vazão baseada na Flow Induced Vibration (FIV), ou ‘Vibração Induzida pelo Escoamento’ é uma técnica patenteada (US 6412 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 leis de movimento de Newton (1 â e na 2-), a massa de um fluido pode ser indiretamente medida, medindo-se a aceleração que ela transmite para outro corpo, de modo que o desvio padrão do sinal da vibração medida aumenta com a vazão, sendo mais bem ajustado por um polinómio de segundo grau.

[038] A técnica FIV é muito eficiente para estimar a vazão no tubo, 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 do tubo decorrente do incremento da vazão aumenta a vibração e com isso os sinais de vibração medidos durante o experimento, após serem processados, podem ser relacionados com os respectivos valores de vazão que geraram aquele sinal, visto que o desvio padrão da vibração do tubo é proporcional às flutuações de pressão na parede induzida pela turbulência do escoamento. [039] Na literatura não há registro de estudos que tenham utilizado um tubo de PVDF, em que o próprio tubo seja utilizado como o transdutor com a aplicação em medição de fluidos e com o princípio de funcionamento baseado em FIV.

Descrição resumida da Invenção

[040] A presente invenção consiste em um conjunto e método para medição de vazão de fluido compreendendo um tubo de material possuindo propriedades piezoelétricas que quando estimulado pela vibração do escoamento do fluido é capaz de gerar sinais elétricos proporcionais a sua vazão. Estes sinais ao serem captados por eletrodos e tratados por instrumentação auxiliar são capazes de fornecer com certa precisão a vazão de fluido daquela tubulação.

[041] O objeto desta invenção consiste em um conjunto para medição de vazão de fluido que compreende um tubo de material possuindo propriedade piezoelétrica, preferencialmente de PVDF, referidos tubos sendo providos de eletrodos que estão conectados à instrumentação auxiliar, objetivando amplificar e digitalizar os sinais elétricos captados junto ao tubo a partir do escoamento de um fluido.

[042] De um modo geral, a presente invenção trata de um conjunto e método para medição de vazão de fluido não intrusivo e não invasivo em que o transdutor é o próprio tubo, capaz de responder eletricamente a estímulos mecânicos, oriundos da vibração causada pela passagem do fluido no tubo.

Breve Descrição das Figuras

[043] A presente invenção será descrita com os desenhos descritos, que representam um esquema, mas não limitam o seu escopo: [044] A figura 1 apresenta um esquema ilustrando as diferenças entre medidores de vazão intrusivos (1 ) ou não (2) e invasivos (1’) ou não (2’).

[045] A figura 2 ilustra uma representação esquemática do conjunto para medição de vazão de fluido conforme a presente invenção.

[046] A figura 3 ilustra um gráfico“vazão (L/min) versus desvio padrão (mV)” de medições em diferentes posições.

[047] A figura 4 ilustra o gráfico de “vazão (L/min) versus desvio padrão (mV)” com destaque para a curva baseada na equação de ajuste.

[048] A figura 5 ilustra um gráfico“vazão (L/min) versus desvio padrão (mV)” com os valores comparativos das medições realizadas pelo tubo e por um acelerômetro comercial.

[049] A figura 6 ilustra um gráfico“vazão estimada (L/min) versus vazão de referência (L/min)”.

[050] A figura 7 ilustra um gráfico “vazão (L/min) versus Número de Reynolds”.

[051] A figura 8 apresenta o resultado estimado da incerteza de medição com n-1 graus de liberdade ao nível de confiança de 95%.

[052] A figura 9 ilustra uma representação esquemática alternativa do conjunto para medição de vazão de fluido conforme a presente invenção.

[053] Embora o assunto aqui revelado seja suscetível 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 das 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

[054] A presente invenção trata de um conjunto para medição de vazão de fluido não intrusivo e não invasivo compreendendo um tubo (03) feito de material possuindo propriedades piezoelétricas, preferencialmente o PVDF, sendo o referido tubo (03) provido de dois eletrodos (4a) e (4b) que estão acoplados de forma paralela na superfície externa do tubo (03), e posicionados de forma transversal ao sentido da vazão (02) de fluido. Ditos eletrodos (4a) e (4b) são conectados por meio de cabos (5a) e (5b) respectivamente, a um amplificador de carga (09) que em sequência é conectado também por meio de um cabo (07) a uma placa digitalizadora A/D (10) que é conectada por um cabo (17) a um computador (14).

[055] O sinal elétrico (1 1 ) ao ser gerado pelo tudo (03), por meio da vibração induzida pelo escoamento de fluido no interior do tubo (03), é captado pelos eletrodos (4a) e (4b) sendo transmitido através dos cabos (5a) e (5b) respectivamente, e então amplificado pelo amplificador de carga (09), para um nível adequado e ótimo. O referido amplificador de carga (09) transmite o sinal amplificado (12), através do cabo (07), para ser digitalizado pela placa digitalizadora A/D (10). Em seguida, a placa digitalizadora A/D (10) transmite os sinais digitalizados (13), através do cabo (17), para serem armazenados e exibidos na tela (15) de um computador (14) em LabVIEW™ e, posteriormente, processados para extração do desvio padrão e subsequente estimativa da vazão do fluido. [056] Os dois eletrodos (4a) e (4b) são feitos de fitas de cobre com adesivo condutivo ou qualquer outro material condutor. Os eletrodos (4a) e (4b) deverão ser posicionados preferencialmente na região de maior deformação do tubo. Assumindo a região que está próxima da saída do fluxo de fluido (02) como referência, o eletrodo (4a) deverá ser posicionado à frente do segundo eletrodo (4b).

[057] Os cabos (5a) e (5b) são soldados aos eletrodos (4a) e (4b) e os conectam ao amplificador de carga (09). O amplificador de carga (09), por sua vez, é conectado à placa digitalizadora A/D (10) que faz a aquisição do sinal amplificado (12).

[058] Tanto o amplificador de carga (09) quanto a placa digitalizadora A/D (10) podem ser de qualquer tipo, desde que sejam de baixo nível de ruído.

[059] Em uma concretização alternativa, o conjunto para medição de vazão de fluidos da presente invenção compreende um circuito eletrónico integrado (30) dotado de microcontrolador compreendendo um amplificador, um digitalizador (conversor A/D), meios para processamento dos sinais captados a partir dos eletrodos acoplados ao tubo e meios (31 ) para visualização dos sinais processados e da vazão estimada.

[060] A presente invenção trata ainda de um método para medição de vazão de fluidos em tubo (03) feito de material possuindo propriedades piezoelétricas, onde o referido método compreende as seguintes etapas:

a) Acoplamento dos eletrodos (4a) e (4b) no tubo (03) para a captação de sinais elétricos (11 );

b) Transmissão dos sinais elétricos (1 1 ) captados pelos eletrodos (4a) e (4b) a um amplificador de carga (9) através dos cabos (5a) e (5b) respectivamente;

c) Amplificação dos sinais elétricos (1 1 ) pelo amplificador de carga (9); d) Transmissão dos sinais elétricos amplificados (12) através de um cabo (7) a uma placa digitalizadora A/D (10);

e) Digitalização dos sinais elétricos amplificados (12) pela placa digitalizadora A/D (10);

f) Transmissão dos sinais elétricos digitalizados (13) através de um cabo (17) a um computador (14);

g) Armazenamento dos sinais elétricos digitalizados (13) no computador (14) por meio de um programa de computador, por exemplo, LabVIEW™;

h) Exibição dos sinais elétricos digitalizados (13) na tela (15) do computador (14);

i) Processamento dos sinais elétricos digitalizados (13) para extração do desvio padrão; e

j) Estimativa da vazão do fluido; e

k) Exibição da vazão do fluido

[061] O material PVDF da presente invenção apresenta a estrutura cristalina b, que é o polimorfo do PVDF que apresenta propriedades piezoelétricas. Por tratar-se de um material piezoelétrico, o PVDF gera tensão elétrica sob deformações mecânicas, podendo esta tensão elétrica ser medida simplesmente por meio da amplitude e da frequência do sinal, que são diretamente proporcionais à sua deformação mecânica. A deformação resultante provoca uma alteração na densidade de carga superficial do material, de modo que uma tensão elétrica aparece entre as superfícies dos eletrodos (4a) e (4b).

[062] Em virtude da relação sinal-ruído do sinal elétrico gerado pelo fenômeno piezoelétrico do tubo ser muito baixa, a eletrónica de leitura dos sinais recebidos deve amplificar tais sinais. Para isto basta um amplificador (09) de carga/tensão comercial, que compatibiliza a tensão de entrada a um nível adequado para a placa digitalizadora A/D (10) que transforma o sinal analógico em digital, aumentando assim a resolução e a sensibilidade da medição.

[063] O princípio de funcionamento do sistema de medição de vazão aqui revelado baseia-se em um escoamento de um fluido através do tubo (3) de PVDF. Quando este escoamento é turbulento, 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.

[064] Para a análise dos sinais associados ao fenômeno FIV e gerados pelo efeito piezoelétrico do tubo, os dados são inicialmente processados por filtros digitais para remover componentes de frequências não relacionadas ao escoamento, e em seguida são calculados os desvios-padrão das vibrações correspondentes a cada valor de vazão que as induziu.

[065] Os resultados destes experimentos são apresentados, de acordo com as configurações experimentais.

[066] Por não haver um referencial anterior no estado da técnica, foram realizados, na base de tentativa e erro, estudos sobre o melhor posicionamento e área superficial dos eletrodos (4a, 4b), buscando a obtenção dos melhores resultados de leitura. Inclusive, por isso, foram feitas medições usando sensores de deformação a redes de Bragg em fibra óptica, uma vez que a medida da deformação no tubo (03) de PVDF, considerando o efeito piezoelétrico do material, traz em si informações relevantes para um maior entendimento da medida de tensão elétrica. [067] Neste sentido, apresentam-se os resultados referentes à configuração de posicionamento dos eletrodos (4a e 4b) apresentada na Figura 2.

[068] A Figura 3 mostra os resultados de uma série de medições efetuadas nas condições supracitadas, onde se pode observar o comportamento dos sinais gerados pelo tubo (03) de PVDF obtido a partir da correlação do desvio- padrão amostrai das vibrações no tubo (03) de PVDF com a vazão (02) que induziu a excitação.

[069] Foi utilizado um medidor de vazão eletromagnético (21 ) para calibrar o sistema de medição de vazão da presente invenção. As vazões medidas por este medidor (padrão) são aqui denominadas vazões de referência.

[070] Examinando o comportamento das curvas no gráfico da figura 3, pode- se observar uma relação aproximadamente quadrática entre o desvio padrão amostrai do sinal de vibração e a vazão.

[071] Diante disso, um novo gráfico foi gerado, e sua curva possui a equação 1 :

[072] A partir da média de todas as medições que pode ser vista na figura 4, desconsideram-se as vazões mais baixas (19,0 - 48,0 L/min), onde se observa um comportamento mais dissonante, possivelmente resultante de um movimento de acomodação mecânica do tubo e uma equação de ajuste foi estimada.

[073] 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 mostra-se eficiente para estimar a vazão por meio do tubo de PVDF nos níveis de vibração mais altos. [074] A Figura 5 apresenta um comparativo das curvas medidas diretamente do tubo (03) de PVDF e de um acelerômetro comercial (20) acoplado à parede externa do tubo.

[075] No que diz respeito ao resultado da medição de vazão utilizando o tubo (03) de PVDF, foi realizada uma análise metrológica baseando-se na equação de ajuste obtida na Figura 4.

[076] Para a obtenção da relação direta entre a vazão e a vibração, os valores de vibração medidos pelo tubo (03) foram ajustados visando identificar a vazão correspondente, como pode ser visto na figura 6, pelo método de ajuste por mínimos quadrados, em que o eixo vertical apresenta as vazões estimadas e o eixo horizontal apresenta as vazões de referência, que foram medidas pelo medidor de vazão eletromagnético (21 ) (padrão).

[077] A partir da observação da Figura 6, pode-se notar que a leitura do tubo (03) de PVDF (vazão estimada) acompanha bem a do medidor padrão (L) (vazão de referência), apenas ficando um pouco mais afastada no ponto correspondente à vazão de referência 88,0 L/min para o qual o valor estimado foi de 81 ,31 L/min.

[078] Sob o ponto de vista do regime de escoamento no tubo (03), o gráfico da Figura 7 mostra a relação entre a vazão estimada e seu número de Reynolds (Re) correspondente.

[079] Este resultado evidencia condições de escoamento plenamente turbulentas (Re « 10000), dado que o número de Reynolds que corresponde ao menor valor de vazão ajustado (61 ,76 L/min) já é de 23680. Daí em diante, à medida que a vazão aumenta, a quantidade de turbulência também aumenta, chegando a 43830 no último valor de vazão estimado (1 14,31 L/min). [080] Para a 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 - tubo (uinst), que já faz parte dos coeficientes da regressão;

- Tipo B: incerteza de medição do medidor de vazão padrão - eletromagnético (upad), para a qual, pela inexistência de um certificado de calibração, adotou-se o valor que foi identificado na curva de desempenho no manual de operação de ±0,38%.

[081] Uma vez definidas as componentes de incerteza, a incerteza combinada (uc) já pode ser calculada, baseando-se na equação 2 fornecida a seguir:

[082] Com base na equação acima, a incerteza combinada foi estimada, conforme pode-se observar na tabela abaixo.

[083] 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.

[084] Para o cálculo da incerteza expandida (equação 3) 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 (veff) equivalente da combinação das incertezas previamente calculado pela equação de Welch-Satterthwaite, descrita de forma simplificada na equação 4.

[085] Assim, a Figura 8 apresenta o resultado estimado da incerteza com n-1 graus de liberdade ao nível de confiança de 95%.

[086] 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 o resultado da Figura 6, dada pelas incertezas menores exatamente na faixa onde a leitura do tubo (03) se aproxima mais da leitura do medidor padrão.

[087] Atualmente, estas vibrações podem ser medidas por um transdutor (25) acoplado ao tubo, como por exemplo o acelerômetro comercial que foi utilizado para fins de comparação nos ensaios aqui descritos, o qual, em contato com a vibração, gera um sinal de saída (tensão elétrica) proporcional ao movimento mecânico de entrada (aceleração), com um fator de proporcionalidade dado pela sensibilidade deste, sendo em seguida os sinais condicionados para permitir uma leitura adequada pelo equipamento de medição, registro ou análise. [088] Como se pode observar, a presente invenção elimina a necessidade de se utilizar um transdutor acoplado ao tubo, uma vez que o próprio tubo, que já seria utilizado no transporte de fluidos, funciona como o transdutor, diminuindo- se assim o custo com equipamentos, tempo de configuração e instalação dos instrumentos.