O sistema de EIT utilizado neste trabalho foi projetado para visualização e obtenção de dados tomográficos de padrões de escoamento de sistemas bifásicos. Este sistema foi anteriormente utilizado por Silva (2015) que trabalhou com o escoamento de
microesferas de vidro em água, e por (Cotas, 2016) que estudou o escoamento de suspensões de fibras celulósicas. Na inspeção de sistemas multifásicos em ambiente industrial geralmente são utilizando equipamentos comerciais como por exemplo o P2000
Electrical Resistence Tomography System desenvolvido pela Industrial Tomography System – ITS (Street, 2000). O sistema P2000, composto por 16 elétrodos, é conectado ao computador por um cabo RS232, sendo possível utilizar os 16 elétrodos ou reduzir para 8, inseridos nos limites do domínio. A corrente elétrica de injeção pode ser definida na gama entre 0.1 e 75 mA e a frequência no intervalo que vai de 75 a 153.6 kHz. O protocolo de injeção implementado no sistema P2000 para domínios circulares restringe-se ao protocolo adjacente. O software implementado pela ITS no sistema P2000 utiliza um algoritmo de reconstrução de imagem que obtém imagens transversais com escala de cores da seção em análise através da distribuição da condutividade no interior do domínio. As imagens reconstruídas pelo software são qualitativas, em vez de quantitativas e apresentam baixa qualidade de resolução. O sistema de EIT utilizado neste trabalho possui significativas vantagens em relação aos equipamentos tomográficos comerciais. No sistema de EIT foram implementados o protocolo adjacente, recomendado para padrões de escoamentos dispersos, e o protocolo oposto, recomendado para padrões de escoamento estratificados, ampliando a gama de possibilidades de análises de sistemas bifásicos. Além do mais podem ser obtidas informações qualitativas do sistema e as imagens reconstruídas apresentam boa resolução. A seguir o sistema de EIT usado será apresentado em maior detalhe.
No diagrama de blocos, Figura 3-4, encontra-se representado o sistema de EIT que pode operar com anéis de 16 ou 32 elétrodos e com o qual é possível obter informações tomográficas 2D da seção transversal da região da conduta onde o anel de elétrodos se encontra inserido. O controlo da frequência usada no sinal gerado para injetar corrente através dos elétrodos é feito por um computador com ligações USB e por meio de aplicação desenvolvida em ambiente de programação LABVIEW®. A interface entre o PC e os demais módulos do sistema é levada a cabo por intermédio de placas E/S (Entrada/Saída), Figura 3-5. Essas placas possuem portas digitais para endereçamento e portas analógicos para aquisição de dados. Através das portas USB é também realizada a configuração da placa de geração de sinais. Sendo assim, o controle da corrente injetada nos elétrodos e da sua respetiva frequência é feito por meio desta comunicação (George
Figura 3-4: Diagrama de bolcos do sistema EIT.
Figura 3-5: Placas E/S: a – digitais industriais NI USB-6255 e b – NI USB-6509 industriais de alta densidade.
Na Figura 3-6, pode-se ver uma imagem do sistema de aquisição de dados. Todo o hardware (com exceção do módulo de geração de sinais) é, como já referido, controlado por meio de uma aplicação desenvolvida usando o National Instruments® LabVIEW
Software Versão 8.6, que permite a aquisição dos sinais, bem como a implementação de diferentes protocolos de medição.
Figura 3-6: Sistema de aquisição de dados EIT.
3.1.1.1 Protocolos de Medição para os Padrões de Escoamento Disperso e Estratificado
Neste trabalho foram feitas aquisições de dados para misturas óleo/água em padrões de escoamento disperso e estratificado. No que se refere ao padrão de escoamento disperso, o protocolo utilizado na medição foi o oposto, onde, como já referido, a corrente elétrica é injetada no domínio em dois elétrodos diametralmente opostos: para a medição considera-se um dos elétrodos adjacentes ao de entrada da corrente no domínio, como elétrodo de referência e faz-se, em relação ao elétrodo considerado, a medição da diferença de potencial elétrica. Para o padrão de escoamento estratificado foi utilizado o protocolo adjacente: neste caso, em dois elétrodos vizinhos ou adjacentes injeta-se uma corrente elétrica e simultaneamente nos restantes pares de elétrodos medem-se as diferenças de potencial elétricas resultantes.
3.1.1.2 Geração dos Sinais
O sinal injetado no domínio deve ser um sinal de corrente alterna, AC, visto que a corrente contínua, CC, provocaria a eletrólise da água. Outra situação indesejada que poderia ocorrer com o uso de uma corrente CC seria a acumulação de cargas nos elétrodos devido a impedância de contato (Grootveld, 1996). Para que a acumulação de cargas no elétrodo seja insignificante com o uso de uma corrente AC, a frequência da corrente deve ser superior a 1 Hz. Na Figura 3-7, pode-se observar o módulo de geração de sinais.
Figura 3-7: Placa de geração de sinais.
O sinal AC a injetar no domínio deve ser numa determinada gama de frequências e de amplitudes. A escolha é condicionada pelas características eletromagnéticas do domínio e pela natureza da interface entre os elétrodos e o domínio. O presente sistema permite gerar sinais na gama de 2 a 100 kHz. A amplitude máxima da corrente injetada
está diretamente relacionada com a condutividade do fluido. Neste caso, foi ajustado o sinal gerado para que uma corrente de 2 mA fosse injetada no domínio. O módulo de geração de sinais vai gerar três sinais sinusoidais com amplitudes específicas e frequência idêntica. Dois dos três sinais gerados encontram-se em fase, um para alimentar os elétrodos que estimulam o domínio em análise (do tipo Asin(𝜛t)) e o outro encaminhado para o módulo de desmodulação (do tipo sin(𝜛t)), sendo que o terceiro sinal se encontra desfasado dos dois anteriores 90 graus (do tipo cos(𝜛t)), encaminhado também para o módulo de desmodulação. Este módulo permite também medir a amplitude da corrente injetada no domínio (Grootveld, 1996).
3.1.1.3 Desmodulação
O uso de uma corrente AC dá origem a diferenças de potencial cuja amplitude e fase são diferentes das da amplitude e fase da corrente de estímulo introduzida no domínio. Para obter as componentes reais e imaginárias das diferenças de potencial, é necessária realizar a desmodulação das diferenças de potencial obtidas.
Os dois sinais de módulo unitário gerados no módulo de geração de sinais alimentam o módulo de desmodulação que implementa a desmodulação síncrona. A Equação 3-1 descreve o sinal de voltagem à entrada do detetor (Grootveld, 1996).
𝑉′(𝑡) = 𝐴′𝑐𝑜𝑠(𝜛𝑡 + 𝜑′) (3-1)
onde 𝐴′ é a amplitude, 𝜛 é a frequência angular e 𝜑′ é a fase.
𝑉′(𝑡) é multiplicado por um sinal 𝐵′cos(𝜛𝑡) e por um sinal em quadratura com
o anterior 𝐵′sin(𝜛𝑡) resultando dois sinais:
𝑉′ 𝑐𝑜𝑠 = 𝑉′(𝑡)𝐵′𝑐𝑜𝑠(𝜛𝑡) =1 2𝐴′𝐵′[𝑐𝑜𝑠(2𝜛𝑡 + 𝜑′) + 𝑐𝑜𝑠(𝜑′)] (3-2) 𝑉′ 𝑠𝑖𝑛 = 𝑉′(𝑡)𝐵′𝑠𝑖𝑛(𝜛𝑡) =1 2𝐴′𝐵′[𝑠𝑖𝑛(2𝜛𝑡 + 𝜑′) + 𝑠𝑖𝑛(𝜑′)] (3-3)
Passando por um filtro passa-baixo (LPF) as Equações anteriores ficam:
𝑉′
𝑐𝑜𝑠 = 1
O módulo de desmodulação implementa, pois, estas operações matemáticas, obtendo-se assim a informação dos módulos das partes reais e imaginárias das diferenças de potenciais medidas, através das quais se pode obter a amplitude e as fases das mesmas.
3.1.1.4 Multiplexagem
Para o funcionamento do sistema, todos os 16 ou 32 elétrodos podem operar quer como emissores, quer como recetores, em qualquer dos protocolos usados e descritos anteriormente (oposto e adjacente). Sendo assim, foi necessária levar a cabo a multiplexagem/desmultiplexagem dos sinais, a qual teria que ser analógica e bidirecional. Na Figura 3-8 e pode-se ver a placa de multiplexagem/desmultiplexagem utilizada neste trabalho.
Figura 3-8: Módulo de multiplexagem/desmultiplexagem.
As diferenças de potenciais resultantes da estimulação do domínio são adquiridas através de placas de aquisição, ligadas por USB a um computador pessoal. Esses dados são armazenados num ficheiro para posterior reconstrução, através dum algoritmo adequado, das imagens 2D da secção do escoamento em avaliação.