Sistema de controle e aquisição de dados

Neste estudo utilizou-se um sistema de aquisição de dados da National Instruments instalado em um microcomputador através de uma placa PCI. Este sistema inclui os seguintes componentes:

 Chassis SCXI-1000 multiplexado;  Terminais SCXI-1302 e SCXI-1530;  Placa PCI-6229;

Nesta configuração o sistema possui 32 canais analógicos para leitura de tensão, quatro canais para saída de tensão, e quatro canais para entrada de acelerômetros ICP (Integrated Circuit Piezoelectric);

A Figura 6.24 apresenta um diagrama esquemático do sistema de aquisição de dados. Os transdutores de pressão absoluta e diferencial e de vazão de ar apresentam saída em corrente com sinal entre 4 e 20 mA, entretanto os canais analógicos do sistema de aquisição realizam leituras somente de tensão. Para a conversão do sinal de corrente para tensão são utilizados resistores de precisão e estabilidade térmica de 250 Ω, que correspondem a tensão entre 1 e 5 V para a faixa de corrente da instrumentação. Os transdutores de vazão de água operam com saída em pulsos de tensão com frequência proporcional à vazão, cujo sinal é obtido por portas contadoras.

EESC – USP Fabio Toshio Kanizawa

Figura 6.24 – Diagrama esquemático de sistema de aquisição e terminais.

Na leitura das temperaturas através de PT100 utilizam-se transmissores locais, modelo Novus Tx Block que fornecem como saída sinais de corrente de 4 e 20 mA.

Para a análise de incertezas experimentais são consideradas as curvas de calibração ou incertezas fornecidas pelos fabricantes. As curvas de calibração foram inseridas no programa de aquisição de dados e controle do aparato experimental implementado através do programa LabView 8.2 da National Instruments.

O controle realizado pelo sistema de aquisição consiste na imposição da vazão de água através de um sinal de saída de tensão de 0 a 10 V atuando no variador de frequência responsável pela alimentação da bomba. Para isto utiliza-se um sistema de controle em malha fechada implementado em LabView. O controle implementado corresponde a um sistema PI (proporcional e integral) no qual a velocidade superficial da fase líquida desejada na seção de testes é o parâmetro de referência, a tensão para controle do variador de frequência é o parâmetro de saída, e o parâmetro medido são as vazões indicadas pelos transdutores eletromagnéticos.

O controle da vazão de ar foi realizado através de válvulas do tipo agulha da Swagelok com orifícios 8 GU e 12GU. Utilizou-se também para este fim uma válvula globo com bitola nominal de ¾” (19,05 mm) cedida pela empresa Dulong. Controlava-se a vazão através da abertura de uma ou mais válvulas, dependendo da vazão desejada.

6.11 Instrumentação

Na especificação dos instrumentos de medida, inicialmente realizou-se uma análise da faixa de condições experimentais factíveis, baseada na configuração da seção de testes, curva

Chassi SCXI-1000 Terminais SCXI-1302 Terminais SCXI-1530 Terminais SCXI-1302 Transdutores Inversor de frequência e sonda capacitiva Acelerômetros Placa PCI-6229

162 Aparato experimental

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da bomba e capacidade do compressor. Esta análise se inicia com a definição das velocidades superficiais de cada fase na décima primeira fileira horizontal de tubos, considerando pressão atmosférica na saída.

Adotou-se para estimativa da perda de pressão friccional o método proposto por Schrage et al. (1988), considerando a perda de pressão monofásica dada por Gaddis (2010). A parcela gravitacional foi estimada através da correlação de Schrage et al. (1988) para a fração de vazio. Nessa análise a seção de testes foi discretizada em camadas ao longo da direção do escoamento, contabilizando variações das propriedades de transporte ao longo da seção. As perdas de pressão da linha e dos segmentos a montante da seção de testes foram consideradas desprezíveis.

Uma vez determinada a pressão na entrada da seção de testes e a vazão para a velocidade superficial desejada, estes parâmetros foram comparados com a curva da bomba e a capacidade de vazão do compressor, possibilitando definir as condições experimentais factíveis. A Figura 6.25 apresenta as curvas de transição entre padrões de escoamentos segundo métodos de Grant e Chisholm (1979), Ulbrich e Mewes (1994) e Taitel et al. (1980), juntamente com as velocidades superficiais possíveis para a configuração da bancada experimental descrita neste capítulo.

As condições experimentais na parte superior do gráfico foram limitadas principalmente pela capacidade da bomba, e a limitação da velocidade superficial do gás se deu pela capacidade do compressor.

Figura 6.25 – Mapas de padrão de escoamento segundo métodos disponíveis na literatura, e velocidades superficiais possíveis.

10-2 10-1 100 101 102 10-2 10-1 100 101 j_g [m/s] jl [ m /s ] Anular Intermitente Bolhas Ulbrich e Mewes (1994) Ulbrich e Mewes (1994) Grant e Chisholm (1979) Grant e Chisholm (1979) Experimentos Experimentos Taitel et al.(1980) Taitel et al.(1980)

EESC – USP Fabio Toshio Kanizawa A partir da análise apresentada, constata-se que a diferença de pressão entre a sétima e décima oitava fileira a ser lida por um transdutor diferencial varia entre -0,85 e 212 kPa. O valor negativo se deve à combinação de reduzida parcela friccional da perda de pressão com a coluna hidrostática de líquido no tubo capilar em uma das tomadas.

Com o objetivo de verificar a distribuição dos valores de diferença de pressão esperados, a curva de distribuição de probabilidade da diferença de pressão foi determinada para as condições experimentais apresentadas na Fig. 6.25 e é apresentada na Fig. 6.26. Conforme pode ser observado a partir da Fig. 6.26, diferenças de pressão reduzidas apresentam maior probabilidade. Portanto a definição de transdutores de pressão que apresentem maior precisão para valores reduzidos de diferença de pressão é necessária. Com base neste aspecto foram definidos três transdutores diferenciais com faixas de medição de ±3, ±10 e ±300 kPa modelo Endress-Hauser PMD 75, com precisão de até 0,075 % da faixa total (set span). A variação do erro relativo da leitura da diferença de pressão com a diferença de pressão é apresentado na Fig. 6.27 para os três transdutores definidos. Conforme pode ser observado a partir da Fig. 6.27, a diferença de pressão esperada entre as tomadas de pressão dos transdutores diferenciais apresenta erro inferior a 4% para valores superiores a 0,1 kPa.

Figura 6.26 – Função de distribuição de probabilidade da perda de pressão entre a sétima e a décima oitava camadas de tubos.

-50 0 50 100 150 200 250 0 2 4 6 8

Dp

[kPa]

P

ro

b

a

b

il

id

a

d

e

[%

]

164 Aparato experimental

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Figura 6.27 – Erro relativo da diferença de pressão.

Paralelamente aos transdutores diferenciais de pressão da Endress-Hauser, que apresentam tempo de resposta superior a 2 segundos, um transdutor de pressão diferencial de resposta rápida, modelo Validyne DP15 com demodulador Validyne CD23 e diafragmas 030 e 038, foi utilizado para obtenção do sinal dinâmico da perda de pressão. Utilizou-se este sinal para a identificação objetiva do padrão de escoamento, segundo procedimento similar ao apresentado por Ulbrich e Mewes (1994).