WO2019195910A1

WO2019195910A1 - Assembly and method for measuring a fluid flow

Info

Publication number: WO2019195910A1
Application number: PCT/BR2019/050132
Authority: WO
Inventors: Khrissy Aracélly REIS MEDEIROS; Carlos Roberto Hall Barbosa; José Roberto MORAES D' ALMEIDA; Alexandre SANT'ANNA RIBEIRO; Paula MEDEIROS PROENÇA DE GOUVÊA; Igor BRAGA DE PAULA; Daniel Ramos Louzada
Original assignee: Faculdades Catolicas
Current assignee: Faculdades Catolicas
Priority date: 2018-04-12
Filing date: 2019-04-11
Publication date: 2019-10-17
Anticipated expiration: 2020-10-12
Also published as: BR102018007442A2

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.

Description

CONJUNTO E MÉTODO PARA MEDIÇÃO DE VAZÃO DE FLUIDO FLOW FLOW MEASUREMENT SET AND METHOD

Campo da Invenção Field of the Invention

[001] A presente invenção trata sobre medição da vazão de fluido que escoa através de uma tubulação. The present invention is concerned with measuring the flow of fluid flowing through a pipe.

Histórico da Invenção Invention History

[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. [002] Fluid flow measurement is used in many applications for different purposes. Some of these include data provision for system control, process analysis, yield and consumption accounting.

[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. The diversity of applications and, in general, the fact that dynamic measurements demonstrate completely different properties contributes to the existence of a very wide range of meters. This is necessary to meet the fluid's physical types and conditions, as well as aspects such as accuracy, operating range, cost, complexity, readability, service life and especially the measuring principle used.

[004] Geralmente, medidores de vazão podem ser classificados como intrusivos ou não-intrusivos, dependendo da perturbação que o elemento transdutor introduz na medida. Generally, flow meters can be classified as intrusive or non-intrusive, depending on the disturbance that the transducer element introduces into the measurement.

[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. In intrusive meters, there is a physicochemical interaction of the meter with the process in which the measurement is performed. It becomes an obstacle to the fluid, causing a loss of charge, and may even be the deposition of materials and / or contamination of the flow, which prevents the use of these meters in some processes. If, in addition to interaction, If the transducer element contacts the measuring process, the invasive meter is considered.

[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. On the other hand, in non-intrusive meters, there is no physical-chemical interaction of the meter with the process in which the measurement is performed. And if there is no contact between the fluid and the measuring equipment, it is a noninvasive meter, which offers a number of advantages compared to invasive meters such as no pressure drop, ease of installation. and longer service life. Figure 1 schematically summarizes this classification.

[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: In this regard, it is known that there are many high quality flow sensors and various measurement techniques. It is essential to know some factors that are decisive in choosing the type of meter. One of the fundamental aspects is the knowledge of the fluid type (liquid, gas, vapor) and its properties, as well as the flow characteristics. Rheology is the science of deformation and flow of matter and fluid flow measurement is a subset of this field (EVANS, 2004). Therefore, for the purpose of measuring the flow of a fluid it is important to classify it in relation to some aspects:

laminar ou turbulento; caracterização quanto à mudança de estado do fluido; laminar or turbulent; characterization of fluid state change;

monofásico ou multifásico; single or multiphase;

quanto às condições do fluxo (críticas ou subcríticas) e, ainda; regarding flow conditions (critical or subcritical) and yet;

se há presença de vazão pulsante, geralmente provocada por equipamentos reciprocantes ou rotativos. if pulsating flow is present, usually caused by reciprocating or rotating equipment.

[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. For a better look at the variety of models and techniques used, it is important to know the meters on the market, their operating principles and especially the advantages and disadvantages of each. Firstly it is critical to allocate the meters in some type of classification for better observation of the variety of models and techniques used.

[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. Nevertheless, the flowmeter classification includes many other aspects than those shown in Figure 1; such as: differential pressure generation; linear or nonlinear meters; volumetric or mass meters; totalizers and / or instantaneous flow meters; open channels; special meters; with or without factor "K"; measurement with additive or extractive energy (GONÇALVES, 2012). A plausible way to classify flowmeters is given in Table 1 below, classification of flow measurement principles, source: DELMÉE (2003) according to the measurement principle.

Quadro 1 Table 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. [010] Approximately 45% of the world's liquid, gas and vapor flow measurement is known to be performed using differential pressure generating devices. Meters based on this principle are intrusive. THE Flow estimation by adopting the differential pressure principle results in instruments called depressimetric meters. As an example, there is one of the authorized meters for tax measurements and natural gas custody transfer in the oil industry, the orifice plate.

[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. [011] This is a very reliable technique - due to existing technical literature and standards, and feasible - due to the low cost of construction, procurement, installation, maintenance, calibration, diversity of materials such as stainless steel, monel, etc., to meet corrosion effects. On the other hand, there are problems related to pressure drop, limited operating range, dependence on installation geometry, flow rate and flow profile, 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. Also within this range of meters authorized for tax measurements and natural gas custody transfer in Brazil are the linear turbine and ultrasonic meters. The turbine meter uses a rotor that rotates at a speed proportional to the speed of the fluid passing through the rotor. Vane revolutions can be counted and related to fluid velocity. Turbine meters are intrusive and tend to deteriorate rapidly by mineral deposits, rendering them unusable for application in the petroleum industry. In addition, while these meters provide excellent accuracy, repeatability and operating range, they are not efficient with swirling fluids and are not recommended for applications using high viscosity fluids. Turbine meters are subject to wear on the turbine blades and must be calibrated for each specific application, which greatly increases installation and maintenance costs.

[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. As for ultrasonic flowmeters, there are those that operate by transit time or by Doppler effect. In both cases, the flow rate is related to the time it takes an ultrasound signal to travel. from the transmitter to the receiver. Doppler ultrasonic meters rely on the reflection of ultrasound waves in particles suspended in the fluid and are used in industry as an option when there are particles or gas bubbles suspended in the liquid. On the other hand, meters that use the difference in transit time have difficulty making measurements in small diameters, so that when minerals from the solution are released, they interfere with ultrasonic waves, which leads these meters to produce false indications.

[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. [014] For the measurement of petroleum, one has the transit time ultrasonic meter described above, plus the positive displacement meters and the Coriolis mass meter.

[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. [015] Positive displacement (or volumetric) meters are intended to measure incremental volumes as the volume is filled and emptied. Full volumes are counted to determine flow. These transducers are invasive and intrusive and require duct modifications for installation. In the oil industry, we highlight the rotor lobe and gear types that generally need a filter to prevent the moving part from locking due to solid particles.

[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. [016] Concluding the theme of the types of meters, one has, among the so-called linear ones, the Coriolis mass meter which, although not invasive, is intrusive. Its limitation lies in the size of the six inch pipe diameter and the moderate to high pressure drop, varying according to fluid and process conditions. Even so, this meter also meets the established needs for a flowmeter. With this meter it is possible to measure mass and volume flow. Its accuracy, operating range and stability make it one of the most reliable and complete solutions on the market. [017] Still on linear meters, it is noteworthy that meters, although subject to prior approval, can be used as flow meters in the oil industry. One of them is the electromagnetic meter, regarded as one of the most reliable and robust instruments, thanks to its remarkable accuracy, high stability, operating range and performance. Nevertheless, this meter depends on the electrical conductive properties of the fluid and therefore has limited utility and can only be used with liquids that have a minimum conductivity of 200 pS / m and are still considered large and expensive. The principle of operation is based on the passage of fluid through a magnetic field that generates a voltage proportional to the fluid flow. Electromagnetic flowmeters, as well as mass flowmeters, are not invasive, but also require pipeline modifications for installation.

[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. [018] Von Karmann's vortex-generating meter, generally called the vortex, is added to the electromagnetic. An obstruction is installed in the duct causing the formation of swirls (vortices). The vortices are repeatedly scattered on alternate sides of the obstacle with a frequency that is linearly related to the velocity of the fluid. Installed sensors capture the frequency of vortex formation and the electronics convert it to volumetric flow rate. This meter applies to gases, saturated and overheated steam, and liquids. It features low pressure drop, higher operating range, accuracy, linear ratio, lower installation and maintenance costs, pressure and temperature compensation, normalized and / or mass flow rate measurement.

[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. [019] Thus, in the field of fluid flow measurement several difficulties are reported, the most notable being the large variety of manipulated fluids and another complicating factor, which is the high number of different configurations, becoming frequent in flow measurement the use of extrapolations and geometric, dynamic and kinematic similarities between the different models.

[020] Agora será falado um pouco sobre as propriedades do material utilizado na invenção aqui descrita, focando principalmente em sua fase b. We will now talk a little about the properties of the material used in the invention described here, focusing mainly on its phase 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. PVDF is a semicrystalline polymer which has the alternating amorphous and crystalline phases. The crystalline phase is formed by orderly regions with the chains aligned in layers, resulting in a packed three-dimensional network, while in the amorphous phase, the chains have a tangled configuration.

[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. [022] The degree of crystallinity is approximately 50%, ranging from 35% to over 70%, depending on the polymerization method and thermomechanical history.

[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. The crystalline regions of PVDF may have at least five different crystal structures designated as a (II), b (I), g (III), 6 (IV), s (V) - polymorphs. Although all have been researched, phases a, b and g are better established in the literature.

[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. [024] These crystalline phases have different thermal, electrical and elastic properties, and are present in different proportions in the material, depending on a variety of factors that affect the development of the crystal structure. The conditions under which a conformation or the like is formed result strongly from the processing and electrical, thermal or mechanical treatments the polymer undergoes.

[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. We will now talk a little about the phase b manifested in the PVDF, which is fundamental to the invention, due to its piezoelectric properties. [026] Phase b is kinetically stable at ambient temperature and pressure. It has a planar zigzag spatial fill model with a distorted all-trans (TTTT) conformation where the positive hydrogen and negative fluorine atoms are fully aligned in one direction. This conformation leads to a unique pseudohexagonal character of the structure, which greatly facilitates ferroelectric switching.

[027] A célula unitária da fase b é bastante polar, tem densidade de 1 ,97 g/cm³ 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. The phase b unit cell is very polar, has a density of 1.97 g / cm ³ and has orthorhombic symmetry with network parameters: a = 0.850 nm, b = 0.491 nm and c = 0.256 nm, belonging to the space group 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.m² e exibe a atividade elétrica mais forte de todas as modificações cristalinas. [028] This crystal structure allows for a more compact packing density and reduces intermolecular tension allowing for greater chain movement. This makes it possible to obtain overlapping dipole moments by generating a resulting dipole moment around 7.0 x 10 ³ ° C (2.1 debye) which results in a strong dielectric effect giving rise to a large spontaneous polarization. Phase b therefore has a polarization of 131 mC.m ² and exhibits the strongest electrical activity of all crystalline modifications.

[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. Thus, after the application of external electric field, PVDF - b presents good piezoelectric property, which makes b the technological preferential phase for sensor application. This structure satisfies the symmetry requirement of a piezoelectric crystal, which means that the crystal belongs to a noncentrosymmetric class, which is therefore the form responsible for the PVDF piezoelectric properties.

[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). [030] Piezoelectric polymers are extremely useful for vibration monitoring and flexible structure control. Not only can they be used to measure deflection extent and vibration frequencies, they can also control the structure. Piezoelectrics in general can be attached to surfaces or can be embedded within [031] The main advantages of using piezoelectric materials in structures are that they detect micrometer level offsets at high frequencies and use little energy for actuation. However, the piezoelectric material must be integrated into structures that also include a substrate and a protective layer (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. [032] In general, PVDF film-based sensors can be applied even to erosive media to detect pressure, to measure shockwave (or impact wave) and, as biocompatible, can be used in biological applications to assist minimally invasive surgeries, testing and characterizing tissues and monitoring human health. Also for mounting microdevices such as surface MEMS, as they have advantages such as mechanical flexibility, lower manufacturing and processing costs, being exceptionally sensitive and faster than silicon-based ones.

[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. [033] Most of these applications are based on the relative magnitudes of either the voltage or rate of change of the voltage generated by the sensor or the frequency spectrum of the signal generated by the sensor. And each has its own microstructure requirements.

[034] Agora será falado um pouco sobre o método de Flow Induced Vibration (FIV) utilizado na presente invenção. Now a little will be said about the Flow Induced Vibration (IVF) method used in the present invention.

[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. [035] Flow measurement based on Flow Induced Vibration (FIV), or 'Flow Induced Vibration', is a technology not regulated by industry codes and standards. In general, IVF is a phenomenon of instability of fluid-carrying pipes, considered an operational problem that occurs in many industrial plants, such as heat exchangers in power plants and reactors in the nuclear industry. In some cases, fluid flow inside a tube may start vibrations and if the intensity of the vibration is large enough, the pipes may rub against each other or the supports resulting in structural fatigue or complete failure. In practice, because these failures are very expensive in terms of repair and loss of production, induced pipe vibrations are undesirable.

[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. [036] However, this phenomenon has been investigated by many researchers as a flow measurement technique in order to enable the development of a sensor that has characteristics of great interest to the industry, such as non-intrusiveness, non-invasiveness and reduced cost. .

[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. [037] Flow measurement based on Flow Induced Vibration (FIV), or 'Flow Induced Vibration' is a patented technique (US 6412 352B1 of July 2, 2002) under the title of “METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING THE MASS”. FLOW RATE OF A FLUID ”, which considers that according to Newton's laws of motion (1 ^â and 2), the mass of a fluid can be indirectly measured by measuring the acceleration it transmits to another so that the standard deviation of the measured vibration signal increases with the flow rate and is best adjusted by a second degree polynomial.

[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. [038] The IVF technique is very efficient for estimating flow in the pipe since the vibration response varies due to fluctuating pressure and fluid velocity. The change in fluid velocity and pressure within the pipe as a result of the increase in flow increases the vibration and thus the vibration signals measured during the experiment, after being processed, can be related to the respective flow values that generated that signal, since the standard deviation of pipe vibration is proportional to the pressure fluctuations in the wall induced by the flow turbulence. [039] There is no record in the literature of studies that have used a PVDF tube where the tube itself is used as the transducer with application in fluid measurement and the IVF-based principle of operation.

Descrição resumida da Invenção Brief Description of the Invention

[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. [040] The present invention is a fluid flow measurement assembly and method comprising a material tube having piezoelectric properties which when stimulated by fluid flow vibration is capable of generating electrical signals proportional to its flow. These signals, when picked up by electrodes and treated by auxiliary instrumentation, are capable of providing with certain precision the fluid flow from that pipe.

[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. [041] The object of this invention is a fluid flow measurement assembly comprising a material tube having piezoelectric property, preferably PVDF, said tubes being provided with electrodes which are connected to the auxiliary instrumentation, aiming to amplify and digitize the signals. electrical elements captured near the pipe from the flow of a fluid.

[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. Generally, the present invention is a kit and method for measuring non-intrusive and non-invasive fluid flow in which the transducer is the tube itself, capable of responding electrically to mechanical stimuli from the vibration caused by fluid passage in the tube.

Breve Descrição das Figuras Brief Description of the Figures

[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’). [043] The present invention will be described with the described drawings, which represent a scheme, but do not limit its scope: [044] Figure 1 shows a scheme illustrating the differences between intrusive (1) or not (2) and invasive (1 ') or non (2') flowmeters.

[045] A figura 2 ilustra uma representação esquemática do conjunto para medição de vazão de fluido conforme a presente invenção. Figure 2 illustrates a schematic representation of the fluid flow measurement assembly according to the present invention.

[046] A figura 3 ilustra um gráfico“vazão (L/min) versus desvio padrão (mV)” de medições em diferentes posições. [046] Figure 3 illustrates a “flow (L / min) versus standard deviation (mV)” graph of measurements at different positions.

[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. [047] Figure 4 illustrates the “flow (L / min) versus standard deviation (mV)” graph highlighting the curve based on the fit equation.

[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. [048] Figure 5 illustrates a “flow (L / min) versus standard deviation (mV)” graph with comparative values of measurements made by the pipe and a commercial accelerometer.

[049] A figura 6 ilustra um gráfico“vazão estimada (L/min) versus vazão de referência (L/min)”. [049] Figure 6 illustrates a graph of “estimated flow (L / min) versus reference flow (L / min)”.

[050] A figura 7 ilustra um gráfico “vazão (L/min) versus Número de Reynolds”. [050] Figure 7 illustrates a “flow (L / min) versus Reynolds Number” graph.

[051] A figura 8 apresenta o resultado estimado da incerteza de medição com n-1 graus de liberdade ao nível de confiança de 95%. [051] Figure 8 shows the estimated result of measurement uncertainty with n-1 degrees of freedom at the 95% confidence level.

[052] A figura 9 ilustra uma representação esquemática alternativa do conjunto para medição de vazão de fluido conforme a presente invenção. Figure 9 illustrates an alternative schematic representation of the fluid flow measurement assembly according to the present invention.

[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. [053] Although the subject disclosed herein is susceptible to various modifications and alternative forms, its specific embodiments have been given by way of example in the drawings and are described herein. Details. It should be understood, however, that the description herein of specific embodiments is not intended to limit the invention to particular disclosed forms, but rather is intended to encompass all modifications, equivalents, and alternatives that are within the spirit and scope of the invention. invention as defined by the appended claims.

Descrição Detalhada da Invenção Detailed Description of the Invention

[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). [054] The present invention is a non-intrusive and non-invasive fluid flow measurement assembly comprising a tube (03) made of material having piezoelectric properties, preferably PVDF, said tube (03) being provided with two electrodes ( 4a) and (4b) which are coupled parallel to the outer surface of the tube (03), and positioned transversely to the fluid flow direction (02). Said electrodes (4a) and (4b) are connected via cables (5a) and (5b) respectively, to a charge amplifier (09) which in sequence is also connected via a cable (07) to a digitizer board. A / D (10) that is connected by a cable (17) to a computer (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). [055] The electrical signal (1 1) being generated by the all (03), through the vibration induced by fluid flow inside the tube (03), is picked up by the electrodes (4a) and (4b) being transmitted through cables (5a) and (5b) respectively, and then amplified by the charge amplifier (09) to a suitable and optimal level. Said charge amplifier (09) transmits the amplified signal (12) via cable (07) to be digitized by the A / D digitizer board (10). The A / D digitizer board (10) then transmits the digitized signals (13) through the cable (17) to be stored and displayed on the screen (15) of a computer (14) in LabVIEW ™ and then processed for extraction of standard deviation and subsequent estimation of fluid flow. [056] The two electrodes (4a) and (4b) are made of copper tape with conductive adhesive or any other conductive material. The electrodes (4a) and (4b) should preferably be positioned in the region of greatest pipe deformation. Assuming the region near the fluid flow outlet (02) as a reference, the electrode (4a) should be positioned in front of the second electrode (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). [057] Cables (5a) and (5b) are soldered to electrodes (4a) and (4b) and connect them to the charge amplifier (09). The charge amplifier (09), in turn, is connected to the A / D digitizer board (10) which makes the acquisition of the amplified signal (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. [058] Both the charge amplifier (09) and the A / D graphics card (10) can be of any type as long as they are low noise.

[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. In an alternative embodiment, the fluid flow measurement assembly of the present invention comprises an integrated electronic circuit 30 having a microcontroller comprising an amplifier, a digitizer (A / D converter), means for processing the signals captured at from the electrodes coupled to the tube and means (31) for visualization of the processed signals and the estimated flow.

[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: [060] The present invention further relates to a method for measuring fluid flow in tube (03) made of material having piezoelectric properties, wherein said method comprises the following steps:

a) Acoplamento dos eletrodos (4a) e (4b) no tubo (03) para a captação de sinais elétricos (11 ); a) Coupling the electrodes (4a) and (4b) in the tube (03) for the capture of electrical signals (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; b) Transmitting the electrical signals (11) captured by the electrodes (4a) and (4b) to a charge amplifier (9) through the cables (5a) and (5b) respectively;

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); c) Amplification of electrical signals (11) by the charge amplifier (9); (d) transmitting the amplified electrical signals (12) via a cable (7) to an A / D digitizer board (10);

e) Digitalização dos sinais elétricos amplificados (12) pela placa digitalizadora A/D (10); e) Digitization of amplified electrical signals (12) by the A / D digitizer board (10);

f) Transmissão dos sinais elétricos digitalizados (13) através de um cabo (17) a um computador (14); (f) transmission of digitized electrical signals (13) via a cable (17) to a computer (14);

g) Armazenamento dos sinais elétricos digitalizados (13) no computador (14) por meio de um programa de computador, por exemplo, LabVIEW™; g) Storing digitized electrical signals (13) in the computer (14) by means of a computer program, for example, LabVIEW ™;

h) Exibição dos sinais elétricos digitalizados (13) na tela (15) do computador (14); h) Display of digitized electrical signals (13) on the computer screen (15) (14);

i) Processamento dos sinais elétricos digitalizados (13) para extração do desvio padrão; e (i) processing of digitized electrical signals (13) for standard deviation extraction; and

j) Estimativa da vazão do fluido; e j) Estimated fluid flow; and

k) Exibição da vazão do fluido k) Fluid flow display

[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). [061] The PVDF material of the present invention has the crystalline structure b, which is the PVDF polymorph that has piezoelectric properties. Because it is a piezoelectric material, PVDF generates electrical stress under mechanical deformations, which can be measured simply by the amplitude and frequency of the signal, which are directly proportional to its mechanical deformation. The resulting deformation causes a change in the surface charge density of the material such that an electrical stress appears between the electrode surfaces (4a) and (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. [062] Because the signal-to-noise ratio of the electrical signal generated by the piezoelectric tube phenomenon is very low, the reading electronics of the received signals must amplify such signals. This requires a commercial voltage / load amplifier (09) that matches the input voltage to a level suitable for the A / D digitizer board (10) that transforms the signal. analog to digital, thereby increasing the resolution and sensitivity of the measurement.

[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. [063] The operating principle of the flow measurement system disclosed herein is based on a flow of a fluid through the PVDF tube (3). When this flow is turbulent, vortices or swirls occur and there is a continuous transfer of energy as fluid molecules move from higher kinetic energy locations to lower kinetic energy regions, generating pressure fluctuations that excite vibratory oscillations in the tube where they flow. the fluid is flowing, causing it to vibrate. The vibratory movement of the tube also causes additional pressure fluctuations. This two-way interaction results in IVF.

[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. [064] For the analysis of the signals associated with the IVF phenomenon and generated by the piezoelectric tube effect, the data is initially processed by digital filters to remove non-flow frequency components, and then the standard deviations of the corresponding vibrations are calculated. at each flow rate that induced them.

[065] Os resultados destes experimentos são apresentados, de acordo com as configurações experimentais. [065] The results of these experiments are presented according to the experimental settings.

[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. [066] Since there is no prior reference in the state of the art, studies on the best positioning and surface area of the electrodes (4a, 4b) were performed on the basis of trial and error, seeking to obtain the best reading results. Therefore, measurements were made using strain sensors to optical fiber Bragg grids, since the measurement of the strain in the PVDF tube (03), considering the piezoelectric effect of the material, brings relevant information to a greater extent. understanding of the voltage measurement. [067] In this sense, we present the results regarding the electrode positioning configuration (4a and 4b) presented in Figure 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. [068] Figure 3 shows the results of a series of measurements made under the above conditions, where the behavior of the signals generated by the PVDF tube (03) obtained from the correlation of the sample standard deviation of the tube vibrations ( 03) PVDF with the flow (02) that induced the excitation.

[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. [069] An electromagnetic flowmeter (21) was used to calibrate the flow measurement system of the present invention. The flow rates measured by this meter (default) are referred to herein as reference flows.

[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. [070] Examining the behavior of the curves in the graph in Figure 3, we can observe an approximately quadratic relationship between the sample standard deviation of the vibration signal and the flow rate.

[071] Diante disso, um novo gráfico foi gerado, e sua curva possui a equação 1 :[071] Given this, a new graph has been generated, and its curve has equation 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. [072] From the average of all measurements that can be seen in figure 4, the lowest flow rates (19.0 - 48.0 L / min) are disregarded, which shows a more dissonant behavior, possibly resulting from a mechanical accommodation motion of the tube and an fitting equation was estimated.

[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. [073] It is clearly noted that as the flow increases, the vibration induced by turbulent flow also increases, which shows that the IVF technique proves to be efficient for estimating the flow through the PVDF tube at vibration levels. taller. [074] Figure 5 shows a comparison of the curves measured directly from the PVDF tube (03) and a commercial accelerometer (20) coupled to the outer wall of the tube.

[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. [075] Regarding the flow measurement result using PVDF tube (03), a metrological analysis was performed based on the fitting equation obtained in Figure 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). [076] In order to obtain the direct relationship between flow and vibration, the vibration values measured by tube (03) were adjusted to identify the corresponding flow, as can be seen in figure 6, by the least squares fit method, where the vertical axis shows the estimated flow rates and the horizontal axis shows the reference flow rates, which were measured by the electromagnetic flowmeter (21) (standard).

[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. [077] From the observation of Figure 6, it can be noted that the reading of the PVDF tube (03) (estimated flow) closely follows that of the standard meter (L) (reference flow), only slightly further away. at the point corresponding to the reference flow rate 88.0 L / min for which the estimated value was 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. From the point of view of the flow rate in the tube (03), the graph in Figure 7 shows the relationship between the estimated flow and its corresponding Reynolds (Re) number.

[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: [079] This result shows fully turbulent flow conditions (Re '10000) as the Reynolds number corresponding to the lowest adjusted flow rate (61.76 L / min) is already 23680. Thereafter, as As the flow rate increases, the amount of turbulence also increases, reaching 43830 at the last estimated flow rate (1.31 L / min). [080] For the uncertainty analysis, the following uncertainty components were considered:

- Tipo A: incerteza de medição do ajuste (uajus); - Type A: adjustment measurement uncertainty (uajus);

- Tipo B: incerteza de medição do instrumento - tubo (uinst), que já faz parte dos coeficientes da regressão; - Type B: instrument - tube measurement uncertainty (uinst), which is already part of the regression coefficients;

- 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%. - Type B: measurement uncertainty of the standard electromagnetic flowmeter (upad), for which, due to the absence of a calibration certificate, the value identified in the performance curve in the operating manual of ± 0 has been adopted, 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:[081] Once the uncertainty components are defined, the combined uncertainty (uc) can already be calculated based on equation 2 provided below:

[082] Com base na equação acima, a incerteza combinada foi estimada, conforme pode-se observar na tabela abaixo. [082] Based on the above equation, the combined uncertainty was estimated as shown in the table below.

[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. [083] However, in order to obtain the range of values for the random error of the measurement process, it is necessary to calculate the expanded uncertainty. (U), since it is from this that an amount equivalent to the repeatability of the combined action of all sources of uncertainty can be determined.

[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.

[084] For the calculation of expanded uncertainty (equation 3) it was considered that the “Type A” uncertainty component has a small number of observations (n <30) and therefore the data distribution was attributed to a probability distribution t-Student (ts), with the number of effective degrees of freedom (veff) equivalent to the combination of uncertainties previously calculated by the Welch-Satterthwaite equation, described in simplified form in equation 4.

[085] Assim, a Figura 8 apresenta o resultado estimado da incerteza com n-1 graus de liberdade ao nível de confiança de 95%. [085] Thus, Figure 8 presents the estimated uncertainty result with n-1 degrees of freedom at the 95% confidence level.

[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. [086] From the point of view of the uncertainties shown in figure 8, it is observed that as the flow increases, which means vibration increase, the uncertainties associated with these flows begin to show a considerable decline in values. , showing a consistency with the result of Figure 6, given by the smaller uncertainties exactly in the range where the reading of the tube (03) comes closest to the reading of the standard meter.

[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. [087] These vibrations can currently be measured by a transducer (25) coupled to the tube, such as the commercial accelerometer that was used for comparison purposes in the tests described here, which, in contact with vibration, generates a signal output (electrical voltage) proportional to the mechanical input (acceleration) movement, with a proportionality factor given by its sensitivity, and then the signals conditioned to allow proper reading by the measuring, recording or analysis equipment. As can be seen, the present invention eliminates the need to use a tube-coupled transducer, as the tube itself, which would already be used for fluid transport, functions as the transducer, thereby reducing the cost. with equipment, setup time and instrument installation.

Claims

1. FLOW FLOW MEASUREMENT SET, characterized in that it comprises a piezoelectric tube (03) provided on its outer surface with two electrodes (4a) and (4b) disposed parallel to each other, where said electrodes (4a) and (4b) are transverse to the flow direction within the tube, one electrode (4a) being positioned upstream of the other (4b), with said electrodes (4a) and (4b) connected to a charge amplifier ( 09) by means of cables (5a) and (5b) respectively, in sequence said charge amplifier (09) is connected to an A / D digitizer board (10) by means of a cable (07), where said plate A / D scanner (10) is connected to a computer (14) via a cable (17).

FLUID FLOW MEASUREMENT SET according to claim 1, characterized in that the electrodes (4a) and (4b) are preferably copper strips with conductive adhesive.

Fluid flow measurement set according to claim 1, characterized in that the charge amplifier (09) and the A / D digitizer board (10) are low noise equipment.

FLUID FLOW MEASUREMENT ASSEMBLY according to Claim 1, characterized in that the tube (03) is preferably PVDF.

A FLOW FLOW MEASUREMENT SET according to claim 1, characterized in that it comprises an integrated electronic circuit (30) comprising amplifier, digitizer (A / D converter) and means for processing the signals captured from the electrodes coupled to the tube and means (31) for displaying the processed signals and estimated flow.

6. METHOD FOR FLUID FLOW MEASUREMENT, characterized by the following steps:

a) Couple the electrodes (4a) and (4b) in the tube (03) for the capture of electrical signals (11);

b) Transmitting the electrical signals (11) captured by the electrodes (4a) and (4b) to a charge amplifier (9);

c) Amplifying the electrical signals (1 1) by the charge amplifier (9); (d) transmit the amplified electrical signals (12) to an A / D digitizer board (10) / a digitizer (A / D converter);

e) Digitize the amplified electrical signals (12) by the A / D digitizer board (10) / digitizer (A / D converter);

f) Transmit the digitized electrical signals (13) to a computer

(14);

(g) storing the digitized electrical signals (13) by means of a computer program;

h) Display the digitized electrical signals (13);

(i) process the digitized electrical signals (13) to extract standard deviation;

j) Estimate fluid flow; and

k) Display fluid flow