Medidor de Vazão Multifásico

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO AMAZONAS
FACULDADE DE TECNOLOGIA
ENGENHARIA DE PETRÓLEO E GÁS
MEDIDOR MULTIFÁSICO 4100 WIOM ARJAY ENGINEERING / FLUENTA
	ALUNO: WILLIAN THALLES COSTA DE SOUSA – 21100393
PROFESSOR: SAVIO SARKIS
Manaus – AM
2014
Referencial Teórico 
Um parâmetro elétrico que é fisicamente mais fácil de definir é a Capacitância, eletricamente, muitas vezes mal interpretado. Fisicamente, um condensador é de dois condutores elétricos separados por um meio não-condutor (ou muito alta resistência) entre os condutores. Considere as duas placas de área (A) na Figura 1 As placas são metálicas e que estão separados por uma distância (D)
Se preencher o espaço entre as placas com um condutor (água, ácidos, etc.) e fecha o interruptor (S) obtém-se uma corrente ditada pela lei de Ohm, I = V / r (em que V é a tensão, e R é a resistência entre as placas). Se o espaço é um não-condutor, nenhuma corrente irá fluir mas existirá a tensão através das chapas. O lado positivo e o lado negativo atrair e cargas elétricas existirá nas placas; assim, um campo eléctrico vai existir no espaço entre os dois. Obviamente, quanto maior as placas, as acusações existirão de maneira mais forte e quanto mais perto as placas (D), o mais forte será atração elétrica entre as placas.
Se, agora, inverter a polaridade da bateria, a placa é agora mais negativa e a placa mais negativa. Para a carga elétrica reverter, "elétrons" devem ter fluído, invertendo sua posição. Desde que o "fluxo de elétrons" seja atual, temos o fluxo de corrente quando inverter a polaridade.
Se agora substituir a bateria por uma fonte de corrente alternada, a polaridade irá inverter cada ciclo e meia que irá, assim, obter um fluxo de corrente contínua. Portanto, enquanto que um condensador não irá permitir que a corrente flua através de DC, a corrente AC pode passar. A quantidade de corrente dependerá da tensão de alimentação, a capacidade de as placas para segurar cargas e a distância (D), o qual determina o vazamento (ou campo eléctrico) no espaço e do material entre as placas.
A fórmula para o fluxo de corrente através de um condensador com uma tensão alternada aplicada é I = V2 FKA / D. K é definido como o dielétrico de material ou a capacidade de armazenar elétrons. 
Note: 
Quanto maior for a área A, maior é a corrente;
Quanto menor for a D, quanto maior for a corrente;
K é determinada pelo material que tem um valor elevado (por exemplo, água = 80). E não-condutoras de materiais que possuem um valor mais baixo (por ex. Ar = 1). A corrente é aumentada com a frequência de alimentação (f), como você está invertendo as acusações com mais frequência a corrente aumenta com a tensão de alimentação.
As placas, escusando irá dizer, que não tem que ser retangular e pode ser de qualquer forma ou tamanho. Uma placa pode ser ligada à terra e, sobretudo, é, em circuitos industriais. Embora as propriedades de um condensador têm muitos fins úteis, a capacitância pode ser um incómodo. Existe capacitância entre as linhas de transmissão de energia e do solo, resultando em corrente adicional e, consequentemente, a perda de potência nas linhas. Grande esforço é investido pelas concessionárias para reduzir esse efeito.
Nos instrumentos de capacitância, a mesma é colocada para um propósito útil. Se mantivermos V e F constante a partir de um circuito regulamentado, então temos uma situação dependente KA / D. Manter quaisquer um dos dois constante, podemos medir o terceiro. Aqui instrumentos de capacitância podem ser usados para medir a área, ou a distância, ou a constante dielétrica.
Na maioria das aplicações, A e D são constantes e que detecta uma mudança de K. Na maioria dos casos, a sonda é um tanque de aço, tais como a Figura 3, A é a área da superfície da sonda e D é a distância entre a sonda e a parede do tanque ou outro motivo.
Se o tanque está cheio de água (K = 80), que desloca o ar (K = 1), e nós temos uma mudança dramática na capacidade que é utilizado na eletrônica para ativar um relé ou transmitir um sinal proporcional à quantidade de água no tanque. Os componentes eletrônicos permitem afinação do sistema, de modo que o operador pode ativar um relé em qualquer ponto ou medir entre uma grande variedade de spans.
Instrumentos modernos detectam pequenas mudanças e muitos produtos de isolamento com k com fatores perto de um (por exemplo, Muitos produtos petrolíferos têm um K de aproximadamente 1,5) pode ser medido. 
As maiorias dos circuitos utilizam o aterramento elétrico como um prato, ou na lateral do capacitor, e, portanto, a “linha” ao lado (a sonda) está “olhando” para o chão. Qualquer alteração no meio que mudaria fator K net vai perturbar o instrumento (por exemplo. Uma pessoa que anda, por exemplo). Portanto, se a sonda não está olhando para um campo fixo (por exemplo. Recipiente de aço), mas sim, em um tanque de fibra de vidro sem chão, em seguida, uma haste de aterramento adequado deve ser instalada. Outra aplicação comum é a proteção da bomba em seco, em que uma sonda de anel concebida para acoplar entre dois flanges, na entrada de uma bomba detecta a presença ou ausência de líquido. A sonda e a terra estão dentro da sonda anel.
As aplicações totais para capacitância estão crescendo continuamente e é limitado apenas pela imaginação da indústria. Muitas das aplicações (variável d) que estiverem em uso, bem como aplicações de interface de líquidos diferentes em todos os formatos e tamanhos de navios e de dutos. Capacitância também tem a capacidade de medir de sólidos (por exemplo. De trigo, farinha de trigo, de carvão) que se estende amplamente a sua aplicação.
Considerações Teóricas do Instrumento 
Figura 4 – Modelo Elétrico do Sensor Capacitivo 
A capacitância (Cb) da mistura multifásica correlaciona-se com as outras capacitâncias, no modelo da seguinte forma: 
O valor da capacitância da mistura multifásica (Cb), independentemente da forma geométrica do sensor capacitivo, pode ser dada pela seguinte relação: 
Onde: 
	Co – fator de forma geométrico que depende da forma do sensor capacitivo e da distância entre as placas, dado em unidades de comprimento; 
	εb – constante dielétrica da mistura óleo-água. 
Substituindo as equações acima, e explicitando o valor da constante dielétrica, chega-se a: 
As capacitâncias Cp, Cw são constantes e determinadas através de calibrações estáticas do sensor capacitivo, com fluidos de constantes dielétricas conhecidas. O fator de forma geométrico é determinado da mesma maneira. Com isso é possível determinar a constante dielétrica (εb), com a equação acima, medindo-se Cs. 
O WIOM determina o valor da constante dielétrica da mistura óleo-água, desde que o óleo seja a fase contínua. O water cut é determinado através da correlação de Bruggeman, a qual aplicada a uma mostura de óleo-água transforma-se em: 
Quando se introduz um material condutor entre as placas de um capacitor, o campo elétrico resultante no interior do material condutor é nulo. No interior do condutor, a polarização produz uma camada de carga negativa numa das superfícies do condutor e uma camada de carga positiva na outra superfície. As cargas superficiais induzidas geram um campo elétrico interno que se opõe ao campo aplicado. Como a carga induzida tem o mesmo módulo do que a indutora, o campo elétrico gerado dentro do material condutor, pelas cargas induzidas tem o mesmo módulo do que o indutor e sentido contrário. Com isso a resultante do campo elétrico no interior do material condutor é nulo. Aplicando a lei de Gauss, para determinar o campo elétrico no interior do material, vem: 
Como Qo = Qd, Er = 0. 
No caso do óleo (dielétrico) com a água salgada (condutora elétrica) dispersa em forma de bolhas no óleo, o campo elétrico ao atravessar a bolha de água, induzirá cargas de mesma intensidade e de sinais contrários às cargas livres do capacitor. As cargas induzidas geram um campo elétrico de mesma intensidade e sentidocontrário ao campo elétrico externo, o campo elétrico resultante dentro da bolha de água é anulado, ou seja, como se a bolha de água fosse curto-circuitada. Em baixas frequências, o efeito condutivo da bolha de água é muito maior que o efeito capacitivo, e pode-se concluir que a constante dielétrica da água tende a infinito, e a equação acima se transforma em: 
A equação anterior mostra que variações na concentração de sal na água, não afetam a resposta de WIOM. Para determinação do water cut é necessário conhecer a constante dielétrica do óleo, juntamente com a constante dielétrica da mistura óleo-água, a qual é medida pelo WIOM. 
Alguns cuidados devem ser tomados, como por ex. redução de diâmetro devido a depósito de parafina, ou outro material, como por ex. areia, pode alterar o desempenho do WIOM, devido à alteração na constate dielétrica do meio. 
No caso de gás livre, em forma de bolha, vai induzir erros sistemáticos, nas medidas water cut. A constante dielétrica do gás é aproximadamente igual a 1,0 e a do óleo e da água giram em torno de 2,2 2 80,0 respectivamente. Como normalmente as bolhas de água, são bem menores do que às de gás é razoável assumir que a mistura óleo-agua, age eletricamente como uma fase contínua e o gás como a fase dispersa. Substituindo: 
Onde: 
	ε3m = constante dielétrica medida pelo WIOM, que é da mistura de óleo água e gás livre em forma de bolhas;
	 ε2m = constante dielétrica da mistura de óleo mais a água; 
	αg = fração de gás ocupada pelas bolhas de gás dispersa, na mistura óleo-água. 
Figura 5 – Variação do erro sistemático em função do water cut do gás livre.
Medidores de Vazão Multifásicos FLUENTA	
O monitor de water cut da Fluenta possui dois módulos ou sensores, com princípios físicos diferentes. Um sensor capacitivo, denominado Water In Oil Monitor (WIOM), para medir water cut, quando o óleo é a fase contínua e o outro indutivo, denominado Oil In Water Monitor (OIWM), para medir o water cut, quando a água é a fase contínua. 
Neste trabalho iremos descrever as especificações do WOIM da empresa Arjay Engineering Limited com seu modelo 4100-OWIM. 
4100 – WIOM – Arjay Engineering
O sensor 4100-OWM monitora o campo capacitância em torno da sonda dentro de uma blindagem concêntrica, tanque ou tubo. As características de emulsão de água para o óleo não é estritamente linear e o controlador Arjay permite uma calibração de 5 pontos para melhorar a precisão em um raio maior. Este instrumento é ideal para o acompanhamento geral e tendências das condições de processo.
Abordagem capacitância única e elimina a limpeza de rotina; 
Sem partes móveis; 
Controle e painel de interface montagens com segurança longe do processo;
Instalação de tanque ou tubo.
Características e benefícios
Sem partes móveis 
• Eletrônicos remotos via par trançado padrão; 
• Toda a configuração, calibração e diagnóstico são acessados ​​no painel de controle;
• Curva de calibração multi-ponto;
• Toda a fiação de controle e de interface é feita no painel de controle;
• HF tecnologia capacitância não requer limpeza de rotina; 
• Interface de tela de toque para fácil instalação e interface de usuário;
• Apresentação da tendência de incrementos de horas, dias ou meses. 
Especificações Técnicas - Sonda
	Temperatura de Processo 
	-60˚C para 260˚C
	Temperatura Ambiente
	-60˚C para 55˚C
	Pressão
	 103 bar/10342 kPA/1500psi em uma temperatura estável 
	Conexão ao Processo
	Disponível rosqueada ou flangeada
	À prova de explosão 
	CSA Div 1, Classe 1, Grupos C,D
	Segurança Intrínseca 
	Aprovado intrinsecamente seguro quando solicitado com Barreira Aprovada na Unidade de Controle.
CAN/CSA E60079-11:
 Classe I, Grupos A,B,C,D;
 Class II, Grupos E,F,G;
 Class III, Encl. Tipo 4
	CRN 
	ABSA-CRN #OF07450.2
	Peças Molhadas
	316SS e o Teflon
Especificações Técnicas – Painel de Controle 
	Temperatura Operacional 
	 0˚C para +55˚C
	Resolução
	.007% (.07 pF at 1,000 pF)
	Precisão*
	.04% de escala completa pF
	Entrada de Alimentação
	24 vdc or 80-240 vac +/-10%,1P, 50-60 HZ
	Display 
	Tela sensível ao toque, várias cores e com gráficos do tanque, % e engenharia de linha de tendência unidades selecionáveis ​​horas, dias ou não.
	Saídas de relé
	Quatro SPDT, 10 amp @ 240 vac, seco
	Cerco
	Tipo 4 metal pintado de azul / IP66 Tipo opcional 4X SS ou policarbonato
	Aprovações Para
	UL / CSA / CE
IEC 61010
* Precisão - Nota: Leitura precisão depende de muitas variáveis, tais como a estabilidade do fluido dielétrico, a temperatura, a dinâmica de mistura, etc Este monitor é projetado para monitoramento geral e tendências das condições de processo. A curva de calibração de 5 pontos podem ser introduzidos para melhorar a precisão dentro de sua faixa desejada.
Interfaces opcionais
	Saída Analógica 
	4-20 mA não-isolada
	Comunicação
	RS-485 Modbus
Calibração
Existem vários modos de se calibrar o WIOM. Com o valor do water cut conhecido, ajusta-se o valor da constante dielétrica, no medidor, até que o water cut médio atinja o valor conhecido. 
Com o valor da constate dielétrica da mistura óleo-água, medida com o WIOM, insere-se no medido o valor do water cut de referência. 
A outra maneira é levar uma amostra de óleo para um laboratório, e medir a constante dielétrica, temperatura e o water cut, após, inserir os dados, via teclado, no medidor. 
Para o modelo apresentado no trabalho, abaixo estão os dados para a calibração do instrumento: 
Mínima Calibração: 0-5% de água em óleo
Calibração Máxima: 0-100%
As precisões esperadas em condições estáveis​​: 
<1%: não recomendado
1-25% de água em óleo: +/- 5% de leitura
25-40% de água em óleo: +/- 10% de leitura
40-60% de água em óleo: +/- 50% de leitura
60-100% de água em óleo: +/- 30% de leitura
calibragem manual permite ao usuário substituir qualquer um dos valores de calibração anteriores e introduzir valores de calibração pré-determinados ou observados. Este recurso pode ser utilizado para um número de diferentes razões. Por exemplo. 
Um dos pontos de calibração é desejada para ser recalibrada. O usuário pode visualizar a leitura pF da sonda no menu Diagnostics e também registrar o nível real do navio ao mesmo tempo. Esses valores podem ser inseridos no Manual de Calibração para mudar ou Cal Ponto 1 ou Cal Ponto 2. 
Se a calibração foi feita utilizando-se 20% e 60% quando os dois valores (por exemplo), mas determinou-se que uma data futura de 60% deve ter sido introduzido como 70%. 
O nível do processo não pode ser alterado no momento da calibração assim um valor e% pF valor de nível aleatório é introduzido como o segundo ponto para permitir operações de até um segundo ponto adequado podem ser inseridos. Veja o método em 1 acima.
Quando você entra no modo de calibração manual, os pontos de calibração a partir da Auto Calibration (Calibração Automática) será exibida. Mudança de valores e Press (pressione) para confirmar.
Pressione o ícone "Calibrate Icon". Calibração será confirmada "Calibration OK!". 
Se a calibração não foi bem sucedida, uma mensagem de erro irá ocorrer. Os problemas mais comuns são ou nível no tanque não foi alterado ou o segundo valor do nível em% foi inscrito idêntico ao primeiro ponto. 
Pressione o botão para retornar à tela principal. 
Como sugere as figuras abaixo: 
Instalação da Sonda
O comprimento da sonda é especificado pelo cliente baseado no tanque ou as dimensões do tubo e profundidade necessária para o líquido a ser medido. Normalmente, as sondas são utilizadas revestidas de Teflon. 
Entrada sonda típica em um tanque exige a "abertura NPT (sondas standard), 1" 3/4 abertura NPT (sondas pesados​​), ou 2 "NPT (sondas blindado). Flanges e escudos concêntricos estão disponíveis como opcionais. A configuração de entrada pode variar de acordo com os requisitos da aplicação. Use uma chave de apenas a metade (lado do tanque)inferior da sonda montagem ao instalar ou remover a sonda do tanque ou flange. Os acessórios da sonda são o tipo de compressão com as anilhas de teflon montados através da aplicação de torque entre as duas seções de montagem. Os acessórios são selados na fábrica para proporcionar uma vedação de compressão capaz de suportar pressões elevadas. Uma vez aberto não podem ser remontados sem novas ponteiras. 
De montagem do tubo: A sonda pode ser montada em paralelo ou em qualquer ângulo em um tubo. Para montar paralelo, um ponto de conexão em um cotovelo é recomendada com a ponta da sonda em direção a jusante. 
Para montar a 90 ° ou outro ângulo, considerando que a viscosidade do produto e fluir estirpe contra a sonda. 
Tanque Montagem: A sonda pode ser montada a partir de qualquer ângulo, para dentro do tanque. Se montado na parte superior, uma bainha inativa é necessária para cegar a sonda para mudanças de nível de líquido e do espaço aéreo. 
IMPORTANTE: A parte ativa da sonda (expostos luva de Teflon branco) deve ser submerso em líquido o tempo todo. A exposição ao ar não danificará a sonda, mas irá provocar uma leitura de capacitância reduzida, resultando em uma leitura de porcentagem de óleo positiva falsa.
Os seguintes pontos são importantes durante a instalação da sonda:
Profundidade de Referência: Isto é importante e é, tipicamente, as paredes de metal do tanque ou tubo. Para tanques não-metálicos, uma sonda de forma concêntrica blindado é exigido que fornece sua própria terra. IMPORTANTE: Para sondas de entrada e entrada flange com rosca, certifique-se os fios estão limpos para garantir uma boa ligação à terra entre o tanque, flange e encaixe.
A distância entre a sonda e a profundidade de referência: Isso se aplica somente para sondas sem escudos concêntricos. Quanto mais próximo da distância para a parede do tanque ou tubo, maior a sensibilidade de medição; também podem ocorrer problemas de perto e ponte.
A mudança de temperatura do material no tanque: O valor de erro de medição depende do material. Se a mudança de temperatura é excessiva, pode ser necessária uma correcção da temperatura.
Agitadores ou objetos em movimento no tanque: Movendo objetos no tanque perto da sonda, tais como lâminas do agitador, chicanas, etc. movendo aparecem como movendo referências solo com uma sonda de capacitância e pode causar erros de medição. Em aplicações onde esses objetos estão presentes, uma sonda de forma concêntrica blindado deve ser usada. 
Segue figura abaixo do esquema de instalação: 
Instalação Elétrica
Deve ser consultar os desenhos fornecidos pelo engenheiro contratual para o determinado projeto e os desenhos incluídos neste manual. Segue abaixo a figura ilustrativa da instalação elétrica. 
Figura 8- Visão geral da instalação elétrica
Fiação: O painel de controle principal fornece um sinal de alimentação de 24 VDC para o PMC na sonda. Quando o PMC está ligado, a tensão é de 8 -10 VDC. O cartão PMC cai um pulso de frequência para a fiação de energia para um sinal de retorno à unidade de controlo principal. Fiação necessária entre a PMC e a unidade de controle principal é dois condutores cabo hook-up blindado.
Informação de Diagnóstico
Figura 9 – Informação de diagnóstico 
Estes são apenas as visualizações das telas. Esses dados fornecem várias informações de diagnóstico que está se comunicando entre a sonda e o controlador ou tenha sido efetuado durante uma calibração. Esta é uma visualização em tempo real e é uma ferramenta valiosa para observar os dados do processo, tais como a estabilidade do produto e mudança. Se a assistência técnica é necessária durante a instalação ou a operação do instrumento, registro ou fotografia essas telas antes de contatar Arjay.
Oscilação de frequência: Esta é a frequência com que a sonda está afinando-se como as mudanças de concentração do produto. A mudança de frequência é inversa para porcentagem. 0 Hz indica que não existe no cartão de frequência de pulso e a sonda pode ser desconectado.
Frequência: Para estabilidade e transmissão para o controlador principal, a frequência de oscilação da sonda é dividida e linearizada para uma frequência mais baixa no cartão de PMC. Esta resposta é também inversa para nível.
Capacitância: Esta é a sonda, e tanque de produto total de capacitância leitura em picofarads. Em 0% haverá uma capacitância compensada devido ao comprimento físico da sonda e aliança à parede do vaso. Se o fio da sonda não está conectado à placa PMC corretamente, este será próximo ou a 0,0 pF.
Capacitância filtrada: Durante a tela de configuração, haverá uma oportunidade para filtrar a saída para amortecer picos. Se a filtragem foi inserida, essa leitura vai responder mais lento do que a verdadeira capacidade de processo. 
Água em óleo: Se a calibração tiver sido feito, a leitura do nível% está disponível aqui.
A seguir têm-se as ilustrações da visão técnicas gerais do instrumento: