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Título: Sensor distribuído de impedância de dupla modalidade para monitoramento e caracterização de escoamento multifásico
Título(s) alternativo(s): Distributed dual modality impedance sensor for multiphase flow monitoring and characterization
Autor(es): Reginaldo, Natan Schieck
Orientador(es): Silva, Marco Jose da
Palavras-chave: Escoamento multifásico
Impedância (Eletricidade)
Indústria petrolífera - Equipamento e acessórios
Equipamentos industriais
Instrumentos de medição
Multiphase flow
Impedance (Electricity)
Petroleum industry and trade - Equipment and supplies
Industrial equipment
Measuring instruments
Data do documento: 29-Ago-2024
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: REGINALDO, Natan Schieck. Sensor distribuído de impedância de dupla modalidade para monitoramento e caracterização de escoamento multifásico. 2024. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2024.
Resumo: Sensores de impedância elétrica podem auxiliar na compreensão de processos industriais, incluindo detecção, monitoramento e caracterização de substâncias, como no caso de estudos de escoamento multifásico na indústria de petróleo e gás. Este estudo descreve o desenvolvimento de um sistema distribuído de sensores de impedância projetado para fins de investigação de processos, incluindo suas etapas de desenvolvimento, lógica por trás de cada subsistema e decisões relativas ao projeto. A implementação proposta é baseada em uma abordagem de dupla modalidade onde a magnitude da impedância é medida em frequências mais baixas por uma fonte de excitação programável acoplada a um circuito amplificador de transimpedância resistivo discreto (R-TIA). Além disso, a capacitância do sensor é quantificada observando a mudança de frequência ressonante de um tanque LC paralelo à impedância desconhecida usando um conversor de capacitância para digital trabalhando em frequências mais altas (MHz). Essas técnicas são empregadas reciprocamente, resultando em uma caracterização mais completa e descritiva da amostra testada. Esta abordagem ajuda a superar a ambiguidade e a complexidade da resposta de impedância de misturas multifásicas, permitindo a diferenciação entre fases do escoamento em alguns cenários. Um elemento adicional que aumenta a complexidade desta aplicação é a rapidez com que as mudanças ocorrem. Para enfrentar esse desafio, a taxa de amostragem do sensor foi refinada para atingir transientes na faixa de milissegundos, o que permite a análise de uma variedade mais ampla de cenários de escoamento multifásico. O sistema foi projetado com o objetivo de detecção distribuída e monitoramento em tempo real, avaliando as propriedades do fluido durante o escoamento e o comportamento do escoamento multifásico em linhas de transporte e poços. Ele permite que vários nós (estações) de medição se conectem em uma rede, auxiliando o monitoramento simultâneo em diferentes locais de uma planta industrial ou experimento. Um software dedicado de configuração de sensores e aquisição de dados foi desenvolvido para garantir gerenciamento eficiente e inspeção em tempo real das medições. Uma aplicação centralizada separada também foi desenvolvida para lidar e armazenar grandes quantidades de dados transmitidos pelos sensores, fornecendo uma estrutura robusta para análise de dados. A comparação com instrumentos comerciais de referência e outras técnicas de medição mostra a aplicabilidade do sistema desenvolvido para medição distribuída de parâmetros de escoamento multifásico. Além disso, o sistema foi empregado e validado em aplicações experimentais para a garantia de escoamento, como o monitoramento do deslocamento de fluídos (flush) e injeção de termo inibidores para prevenção de formação de hidratos. Esta abordagem melhora as capacidades de compreensão e monitoramento em processos industriais, particularmente em ambientes complexos de escoamento multifásico na indústria de petróleo e gás.
Abstract: Electrical impedance sensors can aid in understanding industrial processes, including substance detection, monitoring, and characterization, such as multiphase flow studies in the oil and gas industry. This study outlines the development of a distributed impedance sensor system designed for the purpose of process investigation, including its development steps, thought process for each subsystem, and decisions regarding the design. The proposed implementation is based on a dual-modality approach where the impedance magnitude is measured at lower frequencies by a programmable excitation source coupled with a discrete resistive transimpedance amplifier (R-TIA) circuit. Additionally, the sensor capacitance is quantified by observing the resonant frequency shift of an LC Tank parallel to the unknown impedance using a capacitanceto-digital converter working at higher (MHz) frequencies. These techniques are employed reciprocally, resulting in a more thorough and descriptive characterization of the sample being tested. This approach helps to overcome the ambiguity and complexity of the impedance response of multiphase mixtures, enabling differentiation between fluid phases in some scenarios. An additional element that adds to the complexity of this application is the fast rate at which changes occur. In order to address this challenge, the sensor sampling rate has been refined to target transients within the millisecond range, which allows for the analysis of a wider variety of multiphase flow scenarios. The system was designed with the goal of distributed sensing and real-time monitoring, evaluating fluid properties during flow and multiphase flow behaviour in transport lines and wells. It enables multiple sensing nodes to connect in a network, allowing simultaneous monitoring at different locations of a pipeline or experiment. A dedicated sensor configuration and data acquisition software was developed to ensure efficient management and real-time inspection of measurements. A separate centralized application was also devised to handle and store the large amounts of data being streamed by the sensors, providing a robust framework for data analysis. The comparison with commercial reference instruments and other measurement techniques shows the applicability of the developed system for the distributed measurement of multiphase flow parameters. Furthermore, the system was used and validated in experimental applications related to flow assurance, such as monitoring fluid displacement (flush) and injection of thermodynamic inhibitors to prevent hydrate formation. This approach enhances understanding and monitoring capabilities in industrial processes, particularly in complex multiphase flow environments within the oil and gas industry.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/35116
Aparece nas coleções:CT - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial

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