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Título: Sonda elétrica e ótica para medição do escoamento de misturas bifásicas
Título(s) alternativo(s): Optical-electrical probe for two-phase flow measurements
Autor(es): Winter, Rosângela
Orientador(es): Silva, Jean Carlos Cardozo da
Palavras-chave: Escoamento bifásico
Redes de Bragg
Detectores ópticos
Sondas (Instrumentos eletrônicos)
Fibras ópticas
Modelos matemáticos
Engenharia elétrica Sondas (Instrumentos eletrônicos) - Calibração
Two-phase flow
Bragg gratings
Optical detectors
Probes (Electronic instruments)
Optical fibers
Mathematical models
Probes (Electronic instruments) - Calibration
Data do documento: 7-Jun-2019
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: WINTER, Rosângela. Sonda elétrica e ótica para medição do escoamento de misturas bifásicas. 2019. 146 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2019.
Resumo: A movimentação de misturas em tubulações é um assunto de grande relevância presente em diversos processos das industriais farmacêutica, energética, petroquímica e alimentícia e a disponibilidade de ferramentas e dispositivos que apoiem estas atividades tem grande importância, uma vez que falhas em sistemas onde fluem misturas podem ter graves consequências econômicas, ambientais e sociais. Técnicas experimentais para medição do escoamento como as baseadas em medição de condutância, ultrassom ou radiação ionizante apresentam desvantagens como a impossibilidade de medir misturas não condutivas, suscetibilidade à interferência eletromagnética e a alta atenuação dos sinais com a distância da transmissão. A construção e a avaliação de uma sonda elétrica e ótica para monitoramento de vazões bifásicas em ambientes industriais é apresentada nesta pesquisa. A sonda consiste em dois eletrodos de aço inoxidável posicionados transversalmente ao escoamento utilizados para medir a condutância elétrica do fluido. Os eletrodos são ocos e dentro deles são inseridas fibras óticas com redes de Bragg utilizadas para medir a deformação específica causada pelo escoamento. O desempenho da sonda foi verificado por meio de testes iniciais em uma bancada vertical, calibração estática com diversos carregamentos, e dinâmica com diferentes vazões, testes em escoamento bifásico e comparação entre as componentes da sonda e outros transdutores. Nos testes iniciais, a velocidade média da bolha medida pela componente condutiva da sonda resultou em 0,11739 m/s com desvio padrão de 0,0376 m/s, enquanto que a componente ótica mediu 0,11720 m/s e 0,0429 m/s. O tempo de contato da bolha com a componente ótica foi de 0,66 s a 0,72 s, enquanto que o valor da componente condutiva foi de 0,68 s a 0.72 s. Na comparação do funcionamento das duas componentes da sonda, as diferenças foram de 1,09% entre as velocidades das bolhas e 1,43% para os tempos de contato. As incertezas de medição das variáveis independentes da componente ótica da sonda na calibração estática variaram de 0,15 N a 0,24 N, com valor médio de 0,19 N e a incerteza média da variável dependente foi 56 pm. Os coeficientes de correlação das retas de ajuste apresentaram valor médio igual a 0,99872 e foi obtida uma sensibilidade média igual a 315 pm/N. Os dados experimentais das duas calibrações estão em boa concordância com os valores teóricos. Os modelos matemáticos mostram que a alteração de parâmetros associados ao projeto da sonda pode otimizar a faixa dos parâmetros a serem medidos, alterando por exemplo a sensibilidade da sonda. Os resultados mostram que a combinação das duas técnicas é viável e possibilita além da redundância dos dados, facilidades de autocalibração da sonda, a qual causa baixa perda de carga do escoamento por ser pequena, é fácil de ser construída e tem estrutura robusta permitindo seu uso em ambiente industrial.
Abstract: The fluids movement in pipelines is a wide relevance matter, present in several processes of pharmaceutical, energy, petrochemical, and food industries and the availability of tools and devices that support these activities has great importance, since the occurrence of failures in systems where mixtures flow can cause serious economic, environmental and social consequences. Experimental techniques for flow measurement such as those based on measurement of conductance, ultrasound and ionizing radiation have disadvantages such as the impossibility of measuring non-conductive mixtures, susceptibility to electromagnetic interference, and high attenuation with the transmission distance. The construction and evaluation of an electric and optical probe for the two-phase flows monitoring in industrial environments is presented in this research. The probe consists of two stainless steel electrodes positioned transverse to the flow used to measure the fluid electrical conductance. The electrodes are hollow and within them are inserted fiber Bragg gratings used to measure the flow deformation. The performance of the probe was verified by initial tests on a vertical bench, static calibration with various weights, and dynamics with different flow rates, two-phase flow tests and comparison between probe components and other transducers. In the initial tests, the bubbles mean velocity measured by the probe conductive component resulted in 0.11739 m/s with a standard deviation of 0.0376 m/s, while the optical component measured 0.11720 m/s and 0.0429 m/s. The bubble contact times with the optical component were between 0.66 s and 0.72 s, while the values of the conductive component were 0.68 s and 0.72 s. When comparing the performances of the two probe components, there were differences of 1.09% between the bubbles velocity measurements and 1.43% for the contact times. The independent variable measurement uncertainties of the probe optical component in the static calibration varied from 0.15 N to 0.24 N, with a mean value of 0.19 N and the dependent variable mean uncertainty was 56 pm. The adjustment lines correlation coefficients had an average value of 0.99872 and a mean sensitivity of 315 pm/N was obtained. The experimental data from the two calibrations are in good agreement with the theoretical values. The mathematical models show that changing parameters associated with the probe design can optimize the parameters range to be measured, for example by changing the probe sensitivity. The results show that the combination of the two techniques is feasible and allows data redundancy, self-calibration probe facilities, which is small, causing low flow load loss, easy to construct and robust structure allowing its use in an industrial environment.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/4266
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