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UNICAMP
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA QUÍMICA
Área de Concentração: SISTEMAS DE PROCESSOS
QUÍMICOS E INFORMÁTI~lCA~JlP
L-~-:.
I
DETECÇÃO DE VAZAMENTOS POR COMPUTADOR "ON-LINE"
EM TUBULAÇÕES TRANSPORTANDO LÍQUIDO
E MISTURAS GÁS-LÍQUIDO
Autor: Sergio Amor Cariati
Orientador: Profa. Dra. Sandra Lúcia da Cruz
Co-orientador: Prof. Dr. João Alexandre Ferreira da Rocha Pereira
Dissertação de Mestrado apresentada à Faculdade de Engenharia Química, como parte dos requisitos exigidos para a obtenção do Título de Mestre em Engenharia Quimica.
Campinas, SP, Brasil Julho, 1999
ii
CM-00154307-3
FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA
BffiLIOTECA DA ÁREA DE ENGENHARIA - BAE - UNICAMP
Cl9ld Cariati, Sérgio Amor
Detecção de vazamento por computador "on-line" em tubulações transportando líquido e misturas gás-líquido. I Sérgio Amor Cariati.--Campinas, SP: [s.n.], 1999.
Orientador: Sandra Lúcia da Cruz Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de
Campinas, Faculdade de Engenharia Química.
!.Detectores de vazamento. 2. Tubulação -Dinâmica dos fluídos. 3. Controle automático. 4. Golpe de ariete. I. Cruz, Sandra Lúcia da. II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Química. III. Título.
111
Dissertação de Mestrado defendida e aprovada em 16 de Julho de 1999 pela banca examinadora
constituída pelos professores doutores
Profa. Dra. Sandra Lúcia da Cruz Orientadora
Prof. Dr. Reinaldo Giudici
Pro f. Dr. Roger Josef Zemp
í - ,..-r-,-;--"' " L'
IV
Esta versão corresponde à redação final da Dissertação de Mestrado em Engenharia
Química defendida por Sergio Amor Cariati e aprovada pela Comissão Julgadora em
16/07/99.
Profa.
Orientadora
Lista de Figuras
Lista de Tabelas
Nomenclatura
Resumo
Abstract
1 -INTRODUÇÃO
1.1- Objetivos do Trabalho
2- ANÁLISE DA LITERATURA
ÍNDICE
2.1- Detecção e localização de vazamentos por computador "on-line"
2.2- Conclusões
3- MONTAGEM EXPERIMENTAL E SISTEMA DE AQUISIÇÃO DEDADOS
3.1- Montagem Experimental
3.2- Especificação dos Equipamentos
3 .2.1- Transdutores de pressão
3.2.2- Placa conversora Analógica- Digital- Analógica (ADA)
3.2.3- Microcomputador
3.3- Sistema de Aquisição de Dados
3 .3 .1- Descrição do sistema de aquisição de dados
3.3.2- Conversão do sinal analógico em digital
3.3.3- Temporização dos programas de aquisição de dados
3 .4- Filtragem de dados
3 .4 .1- Média aritmética
3.4.2- Filtros analógicos
3.4 .3- Filtros digitais
3.5- Programas de Aquisição de Dados
v
vii
vili
ix
X
xi
1
4
5
15
20
22
22
25
25
26
28
28
28
29
30
32
33
33
34
36
4- RESULTADOS E ANÁLISE
4.1- Transientes de pressão em tubulações transportando líquido
4.1.1- Máxima queda de pressão na tubulação (dPmax)
4.1.2- Velocidade de propagação da onda de pressão
4.2- Injeção de bolhas isoladas de ar, sem vazamento
4.3- Injeção de múltiplas bolhas de ar, sem vazamento
4.4- Injeção de bolhas isoladas, com ocorrência de vazamento
4.5- Injeção contínua de ar, com vazamento
5- CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
5.1- Conclusões
5.2- Sugestões para Trabalhos Futuros
V1
38
38
41
44
46
50
52
55
59
59
65
APÊNDICE 1 - Curvas de calíbração: medidor de orificio e rotâmetro 66
APÊNDICE 2 - Transientes de pressão em tubulações transportando líquido 67
APÊNDICE 3 - Injeção de bolhas isoladas de ar, sem vazamento 79
APÊNDICE 4 - Injeção de múltiplas bolhas, sem vazamento 86
APÊNDICE 5- Programas de aquisição de dados 91
APÊNDICE 6 - Regimes de escoamento gás-líquido 105
REFERÊNCIAS BffiLIOGRÁFICAS 108
VIl
LISTA DE FIGURAS
1.1 Sistema de exploração e transporte da Bacia de Santos (Folha de São Paulo, 13/01/93) 2
1.2 Gasoduto Brasil- Bolívia (Folha de São Paulo, 15/04/96) 3
2.1 Princípio da localização de vazamentos (Gally e Rieutord, 1986) 10
2.2 Índice de desempenho (Wang, Dong e Fang, 1993) 15
2.3 Perfis de transientes de pressão (Naves, 1991) 17
2.4 Perfis de transientes de pressão (Cruz, Buiatti e Pereira, 1996) 18
2.5 Velocidade de propagação da onda de pressão 19
3.1 Esquema da montagem experimental 22
3.2 Esquema simplificado do sistema de funcionamento dos transdutores 25
3.3 Esquema de funcionamento de um multiplexador 27
4.1 Transientes de pressão (Re = 2000 a 6000) 39
4.2 Transientes de pressão (Re = 8000 a 12000) 40
4.3 Máxima queda de pressão na tubulação (dPmax) 41
4.4 Valor de dPmax ao longo da tubulação (vazamento a 250m) 42
4.5 Valor de dPmax ao longo da tubulação (vazamento a 750 m) 43
4.6 Velocidade de propagação da onda de pressão 45
4.7 Injeção de bolhas isoladas de ar (t; = 2,5 s) 47
4.8 Injeção de bolhas isoladas de ar (t; = 10 s) 48
4.9 Valor máximo do pulso de pressão (Pmax) 49
4.10 Injeção de múltiplas bolhas 51
4.11 Injeção de bolha isolada, com vazamento 53
4.12 Transientes de pressão no transporte de misturas gás-líquido 56
4.13 Transientes de pressão no transporte de misturas gás-líquido 57
5.1 Mínimo vazamento detectado 60
5.2 Máxima queda de pressão na tubulação (dPmax) (Re=12000) 60
5.3 Injeção de bolhas isoladas de ar (Re=8000) 61
5.4 Injeção de múltiplas bolhas (Re=8000) 62
5.5 Transiente de pressão. Injeção de bolha isolada, com vazamento 63
5.6
5.7
2.1
2.2
3.1
3.2
3.3
3.4
LISTA DE FIGURAS (Continuação)
Transiente de pressão causado por vazamento, em tubulação transportando líquido
Transiente de pressão causado por vazamento, em tubulação transportando mistura ar-água
LISTA DE TABELAS
Precisão na localização do vazamento (tubulação: 4 3 3 m) (Buiatti, 1995)
Precisão na localização do vazamento (tubulação: 1.248 m) (Silva, Buiatti, Cruz e Pereira, 1996).
Posição dos transdutores na tubulação
Condições de operação da tubulação
Pressão máxima especificada para cada transdutor
Intervalo de tempo gasto entre duas leituras de pressão de um dado transdutor
4.1. Injeção de bolhas isoladas de ar, sem vazamento. Condições de operação
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
5.1
Injeção de múltiplas bolhas, sem vazamento. Condições de operação
Injeção de bolhas isoladas, com vazamento. Condições de operação
Pressão medida para um tempo igual a 30 s
Velocidade de propagação da onda de pressão
Injeção continua de ar, com vazamento. Condições de operação
Velocidade de propagação da onda de pressão
Velocidade de propagação da onda de pressão em misturas ar-água
Vl1l
63
64
20
20
23
24
26
32
46
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54
54
55
58
64
NOMENCLATURA
a= velocidade de propagação da perturbação (equação (2.1 ))
dPmax =máxima variação pressão, quando da ocorrência de vazamento(%)
L = comprimento da tubulação (equação (2.1))
L2 = distância entre transdutores (equação (2.3))
n1 = número de leituras no programa de aquisição de dados
po = pressão antes do vazamento (psig)
P1 = valor do pulso de pressão (psig)
P = pressão na tubulação (psig)
P.,. = pressão na linha de alimentação de ar (kgf/cm2)
Pf= indice de desempenho
Pmax = valor máximo do pulso de pressão (psig)
Q., =vazão volumétrica de ar (I I min)
Re = número de Reynolds baseado na fase líquida
t; = tempo de injeção de ar na tubulação ( s)
tE, ts = tempo de chegada da perturbação nas extremidades da tubulação (equação (2.1))
t2 , ts =tempo de detecção nos transdutores 2 e 3 (equação (2.3))
v= velocidade de propagação da onda de pressão (m/s)
vaz = porcentagem de vazamento
X = valor de pressão medido pelo transdutor
xr = posição do vazamento (equação (2.1))
Xk = sequência de tempo (equação (2.2))
xiL = razão de vazamento
Y = valor de pressão filtrado
y =distância entre o vazamento e o transdutor mais próximo (m)
letras gregas
a.= parâmetro na filtragem dos dados= 0,5
õt =intervalo de tempo consumido pelo micro entre duas leituras sucessivas (s)
'tr =constante de tempo (equação (3.6))
ix
X
RESUMO
Redes de tubulações são equipamentos de grande importância para as Indústrias
Química e Petroquímica, sendo frequentemente utilizadas para transportar petróleo, gás
natural e outros produtos, por extensões de até milbares de quilômetros. Um dos aspectos
fundamentais da operação e controle destas tubulações é o sistema de detecção de
vazamentos. Rupturas podem ocorrer devido a variações bruscas de pressão, ação corrosiva
ou manutenção inadequada, causando sérios prejuízos econômicos e ecológicos,
principalmente se o vazamento não for rapidamente detectado e reparado.
No presente trabalho transientes de pressão foram detectados e analisados por
computador "on-line" quando da ocorrência de vazamento em uma tubulação de PVC de
1250 m de comprimento. O equipamento de detecção se constituiu de 04 transdutores de
pressão acoplados a um microcomputador PC contendo uma placa ADA e de um programa
de aquisição de dados, desenvolvido no laboratório, que permite analisar em detalhe o
comportamento transiente da tubulação. Perfis de transientes de pressão foram analisados
para várias condições de operação da tubulação (vazão de líquido, vazão e posição do
vazamento) para os casos em que o fluido transportado era: (1) líquido (água); (2) misturas
ar-água, com várias condições de injeção do ar na tubulação.
Os resultados obtidos mostram que para tubulações transportando líquidos, a técnica
desenvolvida detecta prontamente vazamentos da ordem de 1 O %, para Re na faixa de
escoamento laminar, e vazamentos de até 2 % paraRe na faixa de escoamento turbulento.
A sensibilidade do sistema de detecção de vazamentos foi testada na presença de ar
escoando na tubulação. Os resultados obtidos mostram que o gás escoando na tubulação
absorve grande parte do impacto causado pela onda de pressão, quando da ocorrência de
vazamento, e também que existe maior dificuldade de propagação da onda de pressão no
sentido contrário ao fluxo na tubulação. A velocidade de propagação da onda de pressão,
quando da ocorrência de vazamento, foi medida para diversas condições de fluxo. Para o
escoamento de misturas ar-água, a velocidade da onda variou entre 43 e 76 rnls, sendo que
estes valores são cerca de 9 vezes menor do que aqueles medidos em urna tubulação
transportando líquidos.
XI
ABSTRACT
Pipeline networks are very important to Chemical and Petrochemical Industries as they
are used to transport oil, solvents, natural gas and other dangerous chemicals products from
producing fields or plants to consumers through distances of thousands of kilometres, even
in highly populated regions. Pipeline supervision and control are then one of the most
important aspects of pipeline operation. Leaks must be readily detected and flow stopped.
In the present work pressure transients were detected and analysed through on-line
computer techniques, when a leak occurs in a 1250 m long PVC pipeline. The detection
equipment consisted of 04 pressure transducers connected to a PC microcomputer through
an ADA converter and of a data acquisition software which permits to analyse in detail the
transient behaviour of the pipeline.
Pressure transient profiles were analysed for various operation conditions of the
pipeline (liquid flow rate, leak flow rate and leak position) when the fluid which was
transported was: (1) liquid (water); (2) air-water mixture, with various conditions of air
injection in the pipeline.
The results shows that when the pipeline in transporting liquids leaks as small as 2 %
of the nominal flow can be detected when the flow in the pipeline is turbulent, and leaks as
small as 1 O % when the flow is the laminar one.
The leak detection methodology was tested in the presence of air flowing in the
pipeline. The results show that the gas attenuates the impact caused by the pressure wave,
when a leak occurs, and also that the pressure wave finds more difficulty to propagates
against the flow in the pipeline. For the air-water mixtures , the pressure wave velocity
varied between 43 and 76 m/s, these values being about 9 times lower that those obtained
when the pipeline was transporting liquids.
1
1 - INTRODUÇÃO
Redes de tubulações são equipamentos de grande importância para as Indústrias
Química e Petroquímica. Frequentemente, são utilizadas para transportar petróleo,
solventes, gás natural, gasolina e outros produtos, desde as áreas de produção até os
consumidores, por extensões de até milhares de quilômetros.
Dentre as vantagens de se transportar gases e líquidos por meio de tubulações estão:
1) a flexibilidade em termos de capacidade e de produtos que podem ser transportados; 2) o
baixo custo, quando comparado com o custo do transporte rodoviário, ferroviário e
maritimo; 3) a eficiência em termos de energia das tubulações.
Tubulações que transportam gases e/ou líquidos por longas distâncias, frequentemente
transportam diferentes produtos no mesmo tubo. A quantidade de energia utilizada no
transporte depende do diâmetro da tubulação e da taxa de fluxo. Aumentando-se o diâmetro
do tubo de 0,15 m para 1m pode-se reduzir o consumo de energia em até 67%.
Em termos da relação entre tamanho e capacidade, uma tubulação de 0,90 m de
diâmetro pode transportar até 17 vezes mais petróleo ou gás natural do que uma tubulação
de 0,30 m de diâmetro, embora os custos de construção e operação não aumentem na
mesma razão (Kennedy, 1984).
Anualmente, milhares de quilômetros de tubulação são construídos em todo mundo,
para transportar produtos químicos. Estima-se que somente em 1983 foram construídos
mais de 40.000 km de tubulação para transportar petróleo, gás natural e outros produtos
químicos. Esta estimativa não inclui a construção de linhas de distribuição de gás natural
para residências e indústrias (Kennedy, 1984).
No Brasil são alguns milhares de quilômetros de tubulação em atividade. Em 1993, a
COMGÁS iniciou o fornecimento de gás natural para os municípios de Cubatão e do
2
ABCDM através de um gasoduto com 200 km de extensão, desde a plataforma Merluza na
Bacia de Santos até Cubatão, onde está interligado com o Reservatório Tubular de Alta
Pressão (RETAP), que fornece gás natural para Indústrias e 90.000 residências nos
municípios da Grande São Paulo (Figura 1.1 ).
SÃO PAULO
Figura 1.1. Sistema de exploração e transporte da Bacia de Santos (Folha de São Paulo, 13/01193)
Operando desde meados de 1998, o gasoduto Brasil - Bolívia veJO facilitar o
transporte de fluidos entre os dois palses através de 2.300 km quilômetros de tubulação
desde Santa Cruz de La Sierra até a cidade de Campinas, São Paulo. O projeto do gasoduto
prevê-se ainda uma ramificação de 1.100 km até o Rio Grande do Sul (Figura 1.2).
Tão grande quanto o desenvolvimento tecnológico que permite transportar produtos
químicos em tubulações, é o desafio de realizar esta tarefa com alto grau de segurança, e
sem prejuízo para o meio ambiente. Por estas razões, um dos aspectos mais importantes da
operação de tubulações que transportam produtos químicos é o projeto do sistema de
controle da tubulação.
Entre os requisitos que devem ser preenchidos pelo sistema de controle estão:
3
(a) proteção da tubulação e dos equipamentos a ela associados através do
morútoramento e ajuste da pressão e de outras variáveis de operação;
(b) acionar alarmes quando os limites das condições de operação são excedidos;
(c) permitir a detecção de vazamentos.
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Oceano Adimico
Figura 1.2. Gasoduto Brasil- Bolívia (Folha de São Paulo, 15/04/96)
Detectar vazamentos é um dos aspectos fundamentais da operação de tubulações.
Vazamentos podem ocorrer devido a variações bruscas na pressão, ação corrosiva ou
manutenção inadequada, o que coloca em perigo o meio ambiente se este não for
rapidamente detectado e reparado.
4
Apesar do alto nível de atividade de construção de tubulações em todo o mundo, uma
análise da literatura mostra que são recentes as pesquisas no campo da supervisão de
tubulações, assim como as pesquisas de sistemas de detecção de vazamentos. Por outro
lado, verifica-se que o advento de sistemas de aquisição de dados e de técnícas de
computação em tempo real, baseadas em computadores de grande porte, proporcionou as
condições necessárias para o desenvolvimento de técnicas de detecção de vazamentos.
1.1 - Objetivos do Trabalho
O presente trabalho faz parte de um projeto de desenvolvimento de técnícas de
detecção e localização de vazamentos em tubulações. A técnica estudada baseia-se na
detecção e análise "on-line" de transientes de pressão.
O objetivo deste trabalho foi o de aplicar a técnica de detecção e localização de
vazamentos a uma tubulação transportando misturas gás -líquido. No trabalho experimental
utilizou-se uma tubulação de PVC de 19 mm de diâmetro e 1250 m de comprimento,
contendo quatro transdutores de pressão conectados a um microcomputador.
Perfis de transientes de pressão foram analisados para várias condições de operação da
tubulação (vazão de liquido, vazão e posição do vazamento) para os casos em que o fluido
transportado era: (1) um liquido (água); (2) uma mistura ar-água, com várias condições de
injeção da fase gasosa na tubulação: (a) injeção de bolhas isoladas, e (b) injeção de múltiplas
bolhas, sem ocorrência de vazamento na tubulação; (c) ~eção de bolhas isoladas, com
vazamento; (d) fluxo contínuo da mistura ar-água, com ocorrência de vazamento.
O sistema de aquisição de dados envolve um microcomputador PC, uma placa de
conversão ADA de 12 bits, e sistema de medida e transmissão de sinal de pressão. Todo o
sistema de aquisição e análise de dados "on-line" foi desenvolvido no Laboratório de
Engenharia de Sistemas Químicos I DESQ! FEQI UNICAMP.
5
2- ANÁLISE DA LITERATURA
Detecção de vazamentos, é um dos aspectos fundamentais da operação de tubulações
transportando produtos químicos.
São vários os tipos de vazamentos que podem ocorrer em sistemas de tubulações,
assim como são vários os tipos de detetores para analisar cada tipo.
O vazamento devido a ruptura é o menos comum mas muito pengoso. Falhas
catastróficas podem causar danos significativos ao meio ambiente, especialmente em
tubulações localizadas no fimdo do mar e em regiões remotas. Esses vazamentos são,
todavia, os mais fáceis de se detectar desde que são acompanhados por variações na perda
de carga ou volume, facilmente mensuráveis.
Vazamentos igualmente pengosos, porém mrus dificeis de serem detectados, são
aqueles provocados por corrosão, erosão, fatiga, falhas nas soldas ou junções. Estes
vazamentos são da ordem de 5 litros por hora, no entanto uma grande quantidade de
produto pode ser perdida antes que o vazamento seja notado. Até o momento esse tipo de
vazamento tem sido quase impossível de ser detectado por métodos convencionais.
Sistemas de detecção de vazamentos são classificados em duas categorias principais:
estática e dinâmica. Sistemas dinâmicos são preferidos desde que podem ser utilizados
enquanto a tubulação está operando. Métodos estáticos de detecção são úteis depois que o
vazamento tenha sido detectado, de modo a encontrar sua localização.
Motútoramentos contínuos de tubulações permitiram o desenvolvimento de um grande
número de téctúcas de detecção de vazamentos. O balanço de volume é o método
predominante. Este método é limitado pela precisão da medida do volume e por variações
associadas a esta medida. Motútoramentos de pressão e de taxa de vazão podem detectar
grandes vazamentos. Transmissores de pressão diferencial através de válvulas
6
seccionalizantes podem monitorar continuamente em busca de pressões negativas, as quais
indicam a ocorrência de um grande vazamento.
Wike (1986) enumera várias técnicas de detecção e localização de vazamentos
baseadas no sistemas SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition). Existe uma
variedade considerável de técnicas de detecção baseadas no sistema SCADA.
Teste Estático
Este método é capaz de detectar pequenos vazamentos, os chamados vazamentos
"ocultos", e difere de outras técnicas pelo fato de que pode ser aplicado somente quando o
escoamento na tubulação for interrompido. Baseia-se no fato de que numa linha sem fluxo
uma queda de pressão é indicativa de vazamento. Transdutores diferenciais são instalados
em subseções. Estando o fluxo na linha parado, o gradiente de pressão é virtualmente nulo.
Se existe um vazamento, então a pressão em uma subseção começará a cair, causando uma
pressão diferencial diferente de zero.
Variações inesperadas
Um dos métodos mais diretos de detecção de vazamento em uma operação de
tubulação é o método de variação de pressão e fluxo. Um vazamento numa tubulação pode
causar um aumento de fluxo a montante, simultaneamente com uma diminuição de pressão
também a montante. Combinando tais eventos, vazamentos podem ser detectados. Este
método aplica-se somente ao transporte, em estado estacionário, de fluidos incompressíveis,
pois do contrário pode levar a falsos alarmes. Somente rupturas são detectáveis e o
vazamento não pode ser localizado por este método.
Gradientes de pressão
Provavelmente a mais comum de todas as técnicas de detecção de vazamento baseadas
no sistema SCADA. Opera segundo o princípio de que um vazamento deve distorcer o perfil
de pressão ao longo de uma seção da tubulação. Instalando-se medidores de pressão nas
extremidades das seções, o gradiente médio de pressão ao longo da linha pode ser calculado.
7
Um vazamento na vizinhança da seção deve causar uma rápida variação desse gradiente
médio. Sistemas de gradientes de pressão também podem ser usados para localizar
vazamentos com razoável precisão, utilizando técnicas de ajuste de curvas com interpolação
entre medidas de pressão.
Balanço de massa
Basicamente, cada seção da tubulação é equipada com medidores de fluxo na entrada
e na saída, e taxas de fluxo são comparadas continuamente em tempo real. Qualquer
diferença entre a taxa de fluxo nas duas extremidades significa um vazamento.
Na prática, esta comparação é complicada pelo fato de que a taxa de fluxo medida,
depende de vários parâmetros do fluido (temperatura, pressão, densidade e viscosidade).
Esses parâmetros podem sofrer variações, ocasionando falsas deduções sobre as diferenças
na taxa de fluxo do produto, de modo que em intervalos regulares a correção desses
parâmetros se torna necessária, através de medições ao longo da tubulação ou de predições
através de um modelo de cálculo. A diferença entre as taxas de fluxo entrando a saindo na
tubulação é corrigida para avaliar as variações dentro da linha. Se esta diferença excede um
valor limite um alarme automático é soado. Esse método é geralmente utilizado para
detectar vazamentos de médios a grandes e não localiza o vazamento.
Ondas de pressão negativas
Quando ocorre um vazamento numa linha, uma rápida queda de pressão ocorre na
posição do mesmo, originando uma onda de pressão negativa que se propaga à velocidade
do som tanto no sentido a jusante como a montante do local do vazamento. É possível
determinar a existência e aproximar a localização do vazamento através do monitoramento
do progresso da onda em ambos os lados do vazamento, registrando-se o tempo no qual a
onda avança vários pontos ao longo da linha.
Para implementar esta técnica, transdutores de pressão diferencial são instalados nas
extremidades das seções da tubulação. O conhecimento da velocidade da onda e das
8
posições dos transdutores juntamente com a distribuição do tempo de reconhecimento da
onda toma possível calcular a posição do vazamento com razoável precisão. Deve-se
considerar também, que ondas de pressão negativas podem ser causadas por operações
normais na tubulação, como partida e parada de bombas, fechamento de válvulas, e outros
procedimentos normais. A filtragem cuidadosa de dados, bem como a correlação de
possíveis ondas de pressão induzidas por vazamento são necessárias para minimizar falsos
alarmes.
Simulação paralela
O modelo de simulação paralela é conduzido por um conjunto limitado de medições
reais da tubulação, tipicamente pressões a montante e fluxos a jusante. A partir dai, o
modelo estima pressões e fluxos a jusante, e posteriormente estima pressões, fluxos e outras
variáveis em posições intermediárias ao longo da tubulação.
Estas medições estimadas podem então ser comparadas com as medições reais nos
pontos intermediários, e suas discrepâncias utilizadas para detectar vazamentos. Os modelos
utilizados para tais sistemas variam de muito simples, como aproximações de estado
estacionário, a modelos de escoamento transiente de considerável complexidade. Tais
esquemas têm fornecido um relativo sucesso em sistemas de tubulações não complicados
(tipicamente linhas de transmissão com algumas ramificações) transportando fluidos
incompressíveis.
Recentemente, Dempsey e Al-Habib (1996) apresentaram o novo sistema SCADA de
monitoramento e controle de duas tubulações de petróleo de 1100 quilômetros e de 11
estações de bombeamento associadas, localizadas na Arábia Saudita.
O objetivo da implementação do novo sistema foi, primeiro, o de descentralizar o
sistema global de controle e proporcionar um sistema de controle distribuído capaz de
exercer um controle regulatório em cada estação de bombeamento e em cada estação de
redução de pressão. Esta descentralização permitiu aos operadores das estações de
9
bombeamento controlar cada estação em caso de perda de comunicação ou no caso de
falhas no sistema SCADA. O segundo objetivo, foi o de proporcionar um sistema com
ampla função de monitoramento e controle supervisório, de modo que o a partir do terminal
despachante do petróleo seja possível monitorar e controlar a operação da tubulação no
terminal de recepção.
Gally e Rieutord (1986) propuseram um método para detecção e localização de
vazamentos, baseado na comparação, em tempo real, dos valores de pressão (ou vazão)
medidos nas extremidades de uma seção da tubulação, com aqueles calculados através da
modelagem do escoamento transiente de uma tubulação suposta sem vazamento. O método
se aplica a urna tubulação transportando líquido ou gás.
A simulação numérica do escoamento é conduzida, estabelecendo-se como condições
de contorno, valores medidos de pressão e vazão nas extremidades. Assim, se ocorrer um
desvio significativo entre os valores medidos e calculados de um dos parâmetros não
introduzido nos cálculos, deduz-se a presença de um vazamento ao longo da seção
considerada. De mais, as perturbações produzidas pelo vazamento se propagam à velocidade
do som a partir da posição de ocorrência do vazamento (xF) (Figura 2.1 ), nos sentidos a
jusante e a montante.
Conhecendo-se os instantes, ts e ts, correspondentes à chegada das perturbações nas
extremidades E e S, é possível obter sua posição. A velocidade do fluido é muito inferior à
velocidade de propagação das perturbações, de modo que a posição do vazamento é
deduzida através da equação:
(2.1)
onde, L é o comprimento da tubulação e a é a velocidade de propagação da perturbação.
10
tempos
o L
Figura 2.1.Princípio da localização de vazamentos (Gally e Rieutord, 1986)
Os resultados obtidos por Gally e Rieutord (1986) demonstraram que é possível
detectar vazamentos correspondentes a 5 % da vazão nominal, como também determinar
sua localização dentro de um domínio igual a duas vezes o passo de comprimento utilizado
no algoritmo de cálculo.
Baghdadi e Mansy (1988) elaboraram um modelo matemático para localização de
vazamentos em tubulações baseado na análise de fluxo unidimensional. O modelo
desenvolvido é válido para regimes de escoamento laminar e turbulento e para fluidos
incompressíveis. Através da análise da equação da continuidade, da perda de carga devido
ao atrito ao longo da tubulação, da vazão do fluido através do vazamento (obtida através da
equação que descreve o fluxo através de um orifício), e do balanço de energia global do
sistema, formulou-se uma expressão capaz de predizer a posição do vazamento em termos
das quantidades medidas das taxas de fluxo e das pressões, nas extremidades da tubulação
operando em regime estacionário.
11
Sandberg, Holmes, McCoy e Koppitsch (1989) analisam diferentes métodos de
detecção como balanço de volume e métodos acústico, térmico e eletroóptico. Os autores
também propuseram um detetor de vazamentos de solventes hidrocarbonetos, para ser
utilizado em lagoas e em tubulações de compartimento duplo, consistindo de um módulo de
alarme e de um cabo sensor. O cabo sensor consiste basicamente de um fio para envio do
sinal de alarme e de dois fios sensores, recobertos por uma camada de polimero condutor
que tem a propriedade de inchar quando exposto a solventes e combustíveis a base de
hidrocarbonetos, provocando o contato elétrico com os dois fios sensores.
Testes foram realizados com um cabo sensor de 8 mm de diâmetro. Medidas da
variação da resistência do cabo com o tempo permitiu obter o "tempo de resposta" do
sensor quando exposto a diferentes hidrocarbonetos. O "tempo de resposta" se mostrou
dependente do peso molecular do hidrocarboneto e da temperatura. A 20 •c, o "tempo de
resposta" para a gasolina foi de 15 min, enquanto que para o tolueno e óleo diesel foi de 60
min. Desde que a faixa efetiva do sensor é de cerca de 2 km, o monitoramento continuo de
uma tubulação longa, requer um sistema de telemetria para envio da informação sobre o
vazamento para a estação central de supervisão.
Mears (1988) relata testes de detecção e localização de vazamentos realizados em
duas tubulações da Williams Pipe Line Company (WPL), Tulsa, E.U.A.. As tubulações
utilizadas têm: 534 km de comprimento, 40 em de diâmetro, e 306 km de comprimento, 30
em de diâmetro, respectivamente.
O software do sistema de detecção de vazamentos de WPL tem como base um modelo
em tempo real capaz de simular as condições de fluxo em uma rede de tubulações complexa.
A detecção de vazamentos é feita por dois métodos distintos: balanço volumétrico e desvio
pressão - vazão. Dados requeridos pelo modelo em tempo real, como propriedades fisicas
do fluido, temperatura, pressão e vazão, são fornecidos pelo sistema SCADA (Supervisory
Control and Data Acquisition). Relatos da dimensão e da localização do vazamento, feitos
12
pelo sistema de detecção, são dinâmicos. Novos valores são relatados, cada vez que novos
dados do SCADA são recebidos.
De modo a testar o tempo de resposta e a precisão do sistema de detecção, a WPL
realizou diversos testes de vazamentos. Vazamentos foram provocados nos lados de sucção
e de descarga das bombas instaladas ao longo da tubulação e nos pontos intermediários
entre as unidades de bombeamento.
O tempo de resposta do sistema, predito ser de 5 minutos, foi altamente preciso para
vazamentos relativamente pequenos. Em geral, o sistema gerou os primeiros sinais de alarme
5 minutos depois de iniciado o vazamento, para os casos em que a vazão de vazamento era
maior ou igual a 5 % da vazão total de líquido na tubulação. O tempo de resposta foi mais
lento quando havia significativos transientes na línha, mas não pareceu depender da posição
do vazamento. Testes foram conduzidos para vazamentos de até 20 % do fluxo total e
nenhuma melhora no tempo de resposta foi observada.
Testes realizados na faixa inferior de vazões de vazamento, entre 5 % e 2 % do fluxo
total, demonstraram tempos de resposta erráticos. Nesta faixa, 50 % dos vazamentos não
foram detectados, enquanto que o tempo de resposta para a outra metade dos testes variou
entre 5 e 16 minutos.
A precisão da dimensão do vazamento relatada pelo sistema de detecção também foi
investigada. Em geral, os dados obtidos nos testes da WPL não mostraram nenhuma
correlação de repetitibilidade em relação à precisão da dimensão de vazamento relatada.
Todavia, em quase todos os testes as dimensões de vazamentos relatadas nos primeiros
alarmes (2 a 3 minutos) foram menores do que os vazamentos reais.
De um modo geral, os valores relatados para a dimensão do vazamento não diferiram
da valor real em mais do que 16m3/h, resultado considerado muito bom quando comparado
com a vazão total na linha, cerca de 430 m3/h. A precisão no dimensionamento do
13
vazamento melhorou com o tempo, de modo que a maioria dos testes apresentou um erro
menor ou igual a 8m3/h, após 15 minutos do início do vazamento.
Em geral, as localizações dos vazamentos foram relatadas pelo sistema de detecção
com erros menores ou iguais a 40 km. Observou-se que a precisão da localização do
vazamento nos primeiros alarmes depende do tamanho do vazamento. Para vazamentos de
10% as posições relatadas nos primeiros alarmes foram localizadas com um erro de cerca
de 24 km, com alguns casos realmente identificando a localização exata. Para vazões de 5%,
posições de vazamentos relatados inícialmente diferiram de 16 km a 160 km da verdadeira
posição.
Para testar como o sistema de detecção reagiria durante a sequência de eventos de
uma situação real de vazamento, o seguinte teste foi realizado: primeiro, provocou-se um
vazamento de cerca de 8 % da vazão total. Esperou-se pela chegada do primeiro alarme. Os
primeiros relatos indicaram um vazamento de cerca de 8 m3/h abaixo do valor real, enquanto
que a localização do vazamento estava correta. Depois de 4 alarmes (2 minutos), todas as
unidades de bombeamento na linha foram desligadas. Imediatamente, o alarme de vazamento
cessou devido aos transientes de grande magnitude que foram criados. O alarme esteve
inativo por 3 minutos e quando retornou com informações sobre o dimensionamento e
localização do vazamento, estas estavam incorretas. Imediatamente após o desligamento das
bombas, a dimensão real do vazamento dissipou-se lentamente enquanto que a dimensão
relatada aumentou de 56m3/h para 120m3/h, ambos valores acima do valor real. Também, a
imprecisão da localização do vazamento aumentou de 96 km para 144 km em 5 minutos.
Estes resultados demonstraram que uma vez que o vazamento tenha sido confirmado e
qualquer ação tenha sido tomada, as perturbações resultantes na linha, geram alarmes
virtualmente inúteis. Falsos alarmes não foram totalmente eliminados, sendo que a maioria
deles podem estar associados a rotinas operacionais na tubulação, tais como partidas ou
paradas das unidades de bombeamento.
14
Numa das mais recentes revisões sobre técnicas para detecção de vazamentos em
tubulações, Black (1992) classifica os métodos existentes sob os seguintes grupos: (a)
observação; (b) métodos baseados em sensores; (c) "pigs" inteligentes; ( d) análise a partir de
medidas pressão; (e) balanço de volume; (f) detecção baseada na modelagem matemática da
tubulação. Para cada método, é apresentada uma apreciação sobre suas vantagens e
desvantagens.
Em 1993, Wang, Dong e Fang propuseram um método para detecção e localização de
vazamentos em tubulações baseado em modelos auto-regressivos. No esquema proposto,
quatro medidas de pressão p(O), p(&), p(L- &), p(L), são feitas nas posições O,&, (L -
&), e L, respectivamente. Uma sequência de tempo Xk é definida como:
p,(o)- p,(AZ) x, =
P. (AZ)- P. (L) p,(L- AZ)- p.(L) P.(o)- P.(L-AZ)
onde o subscrito k indica o k-ésimo instante de tempo.
(2.2)
O valor de xk independe da vazão do fluido na tubulação, e será igual a zero no caso
em que a vazão é constante e nenhum vazamento ocorre na tubulação. Se existir uma
perturbação no fluxo do processo, Xk será uma sequência aleatória de tempo. Sequências de
tempo obtidas num dado instante k sob condições de fluxo normal e sob vazamento, são
então inseridas nos modelos auto-regressivos cujos parâmetros e variâncias residuais são
dependentes das condições da tubulação. Vazamentos são então detectados a partir da
análise dos parâmetros e das variâncias residuais.
A detecção de vazamentos é feita com base no valor do índice de desempenho (PJ),
gerado pelo modelo, de modo que a ocorrência de um vazamento resulta em valores de P1>
O, enquanto que se não existe vazamento P1= O.
15
O método proposto foi testado em uma tubulação de 10 mm de diâmetro e 120m de
comprimento. Quatro sensores de pressão foram instalados a O, 20, 100, e 120m da entrada
do duto. Para aquisição de dados utilizou-se um microcomputador PCIXT contendo uma
placa conversora AID de 12 Bits. Valores do índice Pr em função do tempo, são mostrados
na Figura 2.2, para vazamentos de 0,5 % e 1 % da vazão de líquido na tubulação.
alanne 0.50 p 0.10
f O.OS fr---'ao.-:Y.:::ÍS:;::0:...___~'------
0.01
o 4
' vazamento
8 12 tempo (s)
(a) vazamentos de 0,5 %
16 20
0.50 p 0.10 ~-===--+--~~-f 0.05!----"'='---.....,.c;_ __ _
0.01
4 8 12 tempo (s)
(b) vazamentos de I %
16 20
Figura 2.2. Índice de desempenho (Wang, Dong e Fang, 1993).
Recentemente, Belsito e Baneljee (I 997) propuseram uma abordagem baseada em
redes neurais artificiais onde cerca de 900 diferentes configurações de vazamentos (ou seja,
diferentes localizações e dimensões de vazamentos) foram utilizadas no treinamento das
redes. Os autores obtiveram resultados satisfatórios na detecção e previsão da dimensão de
vazamentos mesmo com ruídos no sinal amostrado. Menos sucesso porém, foi obtido para
localização de vazamentos, principalmente quando inferiores a 5% da vazão nominal.
2.1 - Detecção e localização de vazamentos por computador "on-Iine"
Desde 1989 desenvolve-se no Departamento de Engenharia de Sistemas Químicos
(DESQ) I FEQ IUNICAMP estudos sobre técnicas de detecção e localização de vazamentos
em tubulações, utilizando métodos computacionais "on-líne".
Quando ocorre um vazamento, urna onda de pressão se propaga ao longo da
tubulação, a montante e a jusante da posição do vazamento (transiente hidráulico). A
pressão ao longo da tubulação passa por uma brusca redução, seguida de uma recuperação
16
parcial, cuja intensidade (da redução e da recuperação) depende da magnitude do
vazamento.
A técnica desenvolvida no DESQ está baseada na detecção e análise de transientes
hidráulicos causados por vazamentos. Perfis de transientes de pressão são detectados e
analisados através de técnicas computacionais "on-line", para diferentes condições de
operação da tubulação.
Naves (1991) desenvolveu uma técnica para a detecção de vazamentos baseada na
análise de transientes de perda de carga numa tubulação de PVC, de 3/4" de diâmetro e 20
m de comprimento.
O estudo da técnica foi feito teoricamente, através da simulação de vazamentos na
tubulação, e experimentalmente, utilizando-se um sistema de aquisição de dados em tempo
real. Para detecção de transientes utilizou-se um transdutor de pressão diferencial (do tipo
célula capacitiva ), que mediu a variação de pressão entre a entrada e a saída da tubulação.
Vazamentos foram provocados através da abertura de uma válvula solenóide. Tanto o
transdutor quanto a válvula solenóide foram conectados a um microcomputador PC
equipado com uma placa conversora ADA (A= analógico; D = digital).
Perfis da variação da perda de carga com o tempo, foram obtidos para diferentes
condições de: (a) vazão de liquido (água) na tubulação (6000 < Re < 12000); (b) vazão de
vazamento (10 a 50 % da vazão nominal de escoamento); (c) posição do vazamento na
tubulação (à entrada e a 5 m, 10m e 15m da entrada da tubulação).
Observou-se que a variação da perda de carga aumenta com o aumento da vazão de
liquido e com a quantidade de vazamento, sendo que esta variação depende da posição do
vazamento na tubulação. Os vazamentos mínimos detectados foram da ordem de 0,5% da
vazão nominal de escoamento. Os perfis da perda de carga na tubulação obtidos por
simulação e através da aquisição de dados são mostrados na Figura 2.3.
17
... .. -188 10
-158 var-111% - l 211% ....
.380 311% - .... - .... ..... Xll=o.5
o -!i! .. 5 .. !!, 1;40
LÍ -
~
-1:30 ~
'E 21 xA.•o.5 = ... 11 Re• 10000
Re= 10000 vaz=50% .... 8 8 8.05 8.11 0.15 8.28 11.25 8.30 8 1.8 2.8 3J) ... ... 0.8
tempo(s) tempo(s) ... .. --188 ---,
oea N
-158 ......... r-::: !i ?O ~
!!' ~ ~ .. " ..,
..... -, r--258 211% -,_
-- '- 311% -350
i 58 Xll=0.75 ... Re= 12000 .... -.. .... ..... _i!% .,._ = 0.75
Re= 12000 vaz=50% .... .. • 8.05 0.10 8.15 IL20 0.25 8.30 8 1.8 2.8 3J) ... ... ...
tempo(s) tempo(s)
(a) simulação teórica b) aquisição de dados
Figura 2.3. Perfis de transientes de pressão (Naves, 1991)
Em trabalho subsequente (Cruz, Buiatti e Pereira, 1996), estudou-se a possibilidade da
utilização de medidas de transiente de perda de carga em um medidor de orifício para a
detecção e localização de vazamentos.
Um exemplo dos resultados obtidos é mostrado na Figura 2.4.(a). Do mesmo modo
que o observado por Naves (1991), a variação da perda de carga permite detectar
vazamentos de diferentes magnitude, no entanto não permite a localização da posição do
vazamento. Os tempos de detecção observados durante os experimentos se mostraram
praticamente independentes da vazão de líquido na tubulação, e também da vazão e posição
do vazamento. Os tempos de detecção representaram basicamente o tempo de resposta do
transdutor, muito maior do que o tempo real de detecção dos vazamentos (Cruz, Buiatti e
Pereira, 1996).
18
Não se restringindo somente à detecção, Buiatti (1995) detectou e localizou
vazamentos numa tubulação de PVC, de 3/4" de diâmetro e 433 m de comprimento. Para
aquisição de dados foram utilizados 4 transdutores (piezoelétricos) de pressão, instalados a
7m, 167 m, 266 m e 427 m da entrada da tubulação. Os vazamentos foram provocados
através da abertura de válvulas solenóide, localizadas a 84 m, 173 m e 260 m da entrada da
tubulação.
Os transdutores bem como as válvulas solenóide foram conectados a um
microcomputador PC equipado com uma placa conversora ADA. Medidas de transiente de
pressão foram realizadas para o escoamento de líquido em regime turbulento (5000 ~ Re ~
13000) e várias porcentagens de vazamento (5% a 80% da vazão nominal de líquido). Um
exemplo dos perfis de transiente de pressão é mostrado na Figura 2.4.(b ).
o . ., "' "' !!! Q.
Q)
" ~ Q) ·u; c: ~
15,------------------------.
14-(1)
13 ~ 12 ~
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10- (3) ~· .... ,v.,·"''"''"''"'"'"''"''"''"'"'''i>,..,•l"' ...... , ............ , .. ..._
9- 'l' .......... ...,l,~ \ . (4)
8- \j Re vaz. y(m)
7- (1) 7800 75% 15 (2) 7800 75% 5
6- (3) 6600 19% 15 (4) 6600 75% 5
54-~--,-+;~=.~~~~.-~.~ o 234567 8
tempo (s)
(a) medidor de orificio
140~-----------------------.
i! 60· '
• -250 ,~, ... - -; i V posição do transdutor '.; (relativa ao vazamento)
{+)jusante (-)montante
40+---.-~----~----.-~ 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
tempo (s)
(b) tubulação I: 433 m
Figura 2.4. Perfis de transientes de pressão (Cruz, Buiatti e Pereira, 1996).
A partir dos tempos de detecção em cada transdutor e de medidas da velocidade de
propagação da onda de pressão, Buiatti (1995) desenvolveu um programa para a localização
da posição do vazamento com base na equação (3). Para o caso de uma tubulação contendo
pelo menos 3 transdutores, a localização do vazamento pode ser expressa em termos da
19
distância entre o vazamento e o transdutor mais próximo (y):
(2.3)
onde L 2 é a distância entre os transdutores 2 e 3; t2 e t3 são os tempos de detecção nos
transdutores 2 e 3, respectivamente e v é a velocidade de propagação da onda de pressão.
Valores medidos da velocidade da onda de pressão estiveram entre 490 e 530 rn/s
(Figura 2.5.(a)). A precisão obtida na localização da posição do vazamento é mostrada na
Tabela I, para diferentes condições de vazão de líquido (Re).
550 .
540-<
... 530
E 520
"' .., 510 <::
o
"' 500 .., Q) ..,
490c "' .., :B 480 Q)
> 470
480
450 o
tubulação 1: 433m y (m)
v +91 6. ·177 o ~91
o -6 o +6
2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 número de Reynolds
(a)
~ "' .., <:: o
"' .., Q) .., "' .., :B Q)
>
550
540-j
530J '
520~ 510 ~
I ' 500-!
4904 I
480~ I
470~ I
-~ I 450
o
tubulação 11: 1248 m Y (m)
a +244m <> +244m O +144m • ·256m t:. +244m
2000 4000 6000 8000 1 0000 12000 14000 número de Reynolds
(b)
Figura 2.5. Velocidade de propagação da onda de pressão
Silva, Buiatti, Cruz e Pereira ( 1996) estenderam o estudo de Buiatti ( 1995) para
escoamento em regime laminar (Re < 3000) numa tubulação de PVC, de 3/4" de diãmetro e
1.248 m de comprimento. Nesta tubulação, 4 transdutores de pressão foram instalados a 494
m, 744 m, 994 me 1244 m da entrada da tubulação. Vazamentos foram provocados através
da abertura de válvulas solenóide, localizadas a 250 me 750 m da entrada da tubulação.
20
Valores medidos da velocidade da onda de pressão estiveram na faixa de 470 a 485
rn!s. (Figura 2.5.(b)). As Tabelas 2.1 e 2.2 mostram que os erros na localização dos
vazamentos foram em média inferiores a 5 m, independentemente da tubulação.
Tabela 2.1 - Precisão na localização do vazamento (tubulação: 433 m) (Buiatti, 1995).
R e y +erro (m)
5000 176 ± 8.57
7000 176 ± 8.36
8000 176 ± 7.74
9000 176 ± 6.38
11000 176±9.08
5000 5±2.13
7000 5 ±2.11
8000 5 ±2.96
9000 5 ±2.80
11000 5 + 3.03
5000 91 ± 8.74
7000 91 ± 8.98
8000 91 ± 5.91
9000 91±7.51
llOOO 91 ± 9.96
Tabela 2.2 - Precisão na localização do vazamento (tubulação: 1.248 m) (Silva, Buiatti, Cruz e Pereira, 1996).
R e y+ erro (ml_
1000 243 ± 2.21
2000 243 ±4.75
5000 243 ± 7.97
7000 243 ±2.63
8000 243 ±5.50
12000 243 ± 4.80
1000 243 ±4.46
2000 243 ±4.97
5000 243 ± 7.94
7000 243 ± 3.79
8000 243 ± 3.01
12000 243 ±0.92
* (y = distância entre o vazamento e o transdutor mais próximo)
2.2 - Conclusões
No presente capítulo foram apresentados alguns dos métodos mais utilizados para a
detecção e localização de vazamentos em tubulações, bem como algumas das principais
dificuldades na sua implementação. Como foi díto inicialmente, a detecção de vazamentos, é
um dos aspectos fundamentais da operação de tubulações transportando produtos químicos.
21
A pesquisa nessa área deve ser incentivada, já que a tendência é a de que esse tipo de
transporte seja ainda mais utilizado, o que segundo Black (1992) "aumenta ainda mais a
pressão para o desenvolvimento e implementação de sistemas efetivos de detecção de
vazamentos".
Ainda segundo Black (1992), um dos pontos pouco abordados nesta área é aquele que
trata da detecção de vazamentos em tubulações onde o escoamento é multifásico. É nesse
sentido que o presente trabalho pretende contribuir, estudando a detecção de vazamentos
em tubulações transportando misturas gás-líquido.
22
3- MONTAGEM EXPERIMENTAL E SISTEMA DE AQUISIÇÃO DE DADOS
O objetivo deste capitulo é descrever detalhadamente os equipamentos que compõem
a montagem experimental utilizada no desenvolvimento da técnica de detecção e localização
de vazamentos, baseada na análise de transientes de pressão por computador "on-line". A
montagem experimental constitui-se basicamente de uma tubulação de PVC de 19 mm de
diâmetro e 1248 m de comprimento.
3.1 - Montagem Experimental
O objetivo da montagem desenvolvida no laboratório é simular e detectar
experimentalmente a ocorrência de vazamentos em tubulações. Um esquema representativo
da montagem é mostrado na Figura 3 .1.
Rotimetro
"--<f--....:.AI.imentação
r---------~~~~~~~~·~deJ-----~-:~_Ie_n~-~-de~---------~--G--~~~~~:.~~~~~--------------------~-~----.. ~
f" ~'n ___________ T_2~~~~-V2----------~l~'TJ-------+-----r~j'' _, i 1 PlacaADA ' i I 0 1 ! ________________________________ j ______________________________________ ~:::: ~
Micro computador
Figura 3 .1. Esquema da montagem experimental.
(T1,T2,T3,T4 = transdutores de pressão; V1,V2 =posições dos vazamentos)
23
A montagem experimental é constituída de uma tubulação de 1248 m de comprimento
total, construída a partir de tubos de PVC de 19 mm de diãmetro (2,5 mm de espessura) e
18m de comprimento, conectados por cotovelos de 90°, tendo no total 70 cotovelos.
Ao longo da tubulação estão instalados quatro transdutores de pressão: a 494 m, 744
m, 994 m e 1244 m da entrada da tubulação. Os transdutores estão acoplados a um
microcomputador PC através de uma placa conversora ADA (Analógico/ Digital/
Analógico).
Para simular o vazamento estão instalados dois conjuntos de válvulas solenóide I
gaveta: a 250 m e 750 m da entrada da tubulação. A abertura e fechamento da válvula
solenóide é realizada através da placa ADA, enquanto que a abertura da válvula gaveta
controla a magnitude do vazamento. A Tabela 3.1 mostra a posição de cada transdutor,
relativa a posição do vazamento.
Tabela 3.1. Posição dos transdutores na tubulação.
Transdutor (posição relativa a Posição do transdutor relativa ao vazamento* entrada da tubulação)
vazamento a 250 m vazamento a 750 m
T1 (494 m) (+)244m (-)256m
T2 (744m) (+) 494 m (-) 6m I
T3 (994m) (+) 744 m (+)244m
T4 (1244 m) (+) 994 m (+) 494 m
* ( +) a iusante; (-) a montante, do vazamento
O trabalho experimental se constituiu da detecção de vazamentos, sob várias
condições de operação da tubulação, para os casos em que o fluido escoante era um liquido
(água) ou uma mistura gás - liquido (ar - água). Neste último caso, diferentes tipos de
experimentos foram realizados, a saber: 1. Injeção de uma bolha de ar, sem ocorrência de
vazamento; 2. Injeção de múltiplas bolhas, sem ocorrência de vazamento; 3. Injeção de uma
24
bolha de ar, com ocorrência vazamento; 4. Escoamento continuo de uma mistura ar-água, ,
com ocorrência vazamento.
Na montagem experimental água circula em circuito fechado a partir de um
reservatório de 75 litros, sendo alimentada à tubulação através de uma bomba centrifuga de
3 Cv, marca WEG. Na saída da bomba estão instaladas duas válvulas gaveta, a primeira por
questão de segurança regula a vazão máxima de liquido na tubulação, enquanto que a
segunda regula a vazão de líquido alimentado à tubulação. A vazão de água é medída
através de uma placa de orifício instalada na entrada da tubulação. A curva de calibração da
placa de orifício encontra-se no Apêndice I.
A vazão de vazamento de água, cuja magnitude é controlada pela abertura da válvula
gaveta, é determinada no início de cada experimento, utilizado-se um cronômetro e uma
proveta. A magnítude do vazamento é expressa em termos de porcentagem da vazão
nominal de líquido na tubulação (vazão de liquido antes da ocorrência de vazamento).
O ar injetado na tubulação provem de uma linha de ar comprimido, sendo que sua
vazão e pressão são controladas por um rotâmetro e um manômetro de mercúrio. A vazões
de ar são corrigidas em relação a pressão e temperatura de operação, de acordo com
recomendação do fabricante do rotâmetro. A curva de calibração, bem como a metodologia
utilizada para correção da vazão, são dadas no Apêndíce 1. A alimentação de ar para a
tubulação é controlada pela abertura I fechamento de uma válvula solenóide, também
conectada ao microcomputador através da placa ADA A Tabela 3.2 mostra as faixas de
operação nas quais os experimentos foram realizados.
Tabela 3.2. Condíções de operação da tubulação
Número de Reynolds do líquido (Re) 2000 a 12000
Porcentagem de vazamento 2%a50%
Vazão de ar 1,7 a 9,6lítros I min
I Posições do vazamento, em relação a entrada da I 250me750m \ tubulação \
25
3.2 - Especificação dos Equipamentos
3.2.1 - Transdutores de pressão
Os transdutores de pressão utilizados no sistema de aquisição de dados são do tipo
piezoelétrico. Estes transdutores, são constituídos de um material sólido acoplado a
eletrodos metálicos (Figura 3.2). Quando o material piezoelétrico se deforma, quer por
compressão, expansão ou torção, uma carga elétrica é gerada, produzindo uma diferença de
potencial entre os eletrodos, sendo esta carga proporcional a deformação do material. A
diferença de potencial gerada é amplificada, gerando o sinal de saída do transdutor.
Eletrodo
Eletrodo
Amplificador
Sinal !--___,;Amplificado
Figura 3.2. Esquema simplificado do sistema de funcionamento dos transdutores.
Os transdutores utilizados são da marca Cole-Parmer. A Tabela 3.3 mostra a pressão
máxima para a qual cada transdutor foi projetado. O sinal elétrico emitido pelos transdutores
é um sinal de tensão, na faixa de 1 a 5 V.
Na montagem experimental, os quatro transdutores estão acoplados a um
microcomputador PC que recebe e arquiva continuamente suas leituras de pressão. Todos os
transdutores enviam simultaneamente as leituras de pressão na forma analógica. Antes que
os sinais cheguem ao computador estes passam por um multiplexador e um conversor
analógico - digital. O multiplexador possibilita ao computador receber os sma1s
26
alternadamente, enquanto o conversor discretiza os smats e os converte em números
binários.
Tabela 3.3. Pressão máxima especificada para cada transdutor.
Transdutor (posição em relação a entrada Pressão máxima da tubulação) especificada (psig)
Tl (494m) 60
T2 (744m) 30
T3 (994m) 30
T4 (1244 m) 15
3.2.2 - Placa conversora Analógica- Digital - Analógica (ADA)
A placa ADA utilizada é da marca TAURUS, versão 2.2, sendo composta por:
• multiplexador;
• conversor analógico - digital ( AID) de 12 bits e 8 canais;
• conversor digital- analógico (D/ A) de I O bits e 8 canais;
• placa digital - digital (D/D) de 8 bits, com 8 canais de entrada e 8 de saída;
Multiplexador
O multiplexador permite que um único conversor analógico/digital (CAD) tenha
acesso a várias linhas de sinais analógicos. Caso o multiplexador não fosse utilizado seriam
necessários quatro CAD's para receber os sinais emitidos pelos transdutores. A Figura 3.3
mostra o esquema de funcionamento de um multiplexador com quatro portas para receber
sinais. O multiplexador utilizado é provido de 8 portas para receber os sinais, e é parte
integrante da placa ADA, onde é encaixado o CAD.
Conversor analógico I digital (CAD)
Um conversor analógico - digital é composto por um sampler e por uma placa que
converte sinais analógicos em digitais.
Sinais enviados pelos transdutores ~- '..---, CAO---.
\. Passagem alternada dos sinais
Figura 3.3. Esquema de funcionamento de um multiplexador.
27
O sampler discretiza os sinais enviados continuamente pelos transdutores, funcionando
como uma espécie de interruptor, que em intervalos de tempo regulares permite a passagem
da corrente elétrica. O microcomputador gasta um intervalo de tempo finito para ler os
sinais enviados pelos transdutores, por este motivo é necessário discretizar o sinal. Caso haja
alguma variação na variável monitorada durante os intervalos que o micro não recebe os
sinais, esta variação não é percebida.
O sinal discretizado não pode ser utilizado diretamente pelo computador, pois é um
sinal elétrico de natureza analógica, enquanto que o computador trabalha somente com
sinais de natureza digital. O conversor analógico - digital (CAD) converte o sinal analógico
em palavras de 12 bits, ou seja números inteiros na forma binária que podem ser utilizados
pelo computador.
Placa digital/ digital (D/D)
A placa digital é utilizada para atuar sobre as válvulas solenóide, de modo a provocar
um vazamento, bem como para injetar ar na tubulação. Isto é feito através do programa de
aquisição de dados que atua sobre um relé, permitindo a abertura I fechamento da válvula
solenóide. No programa de aquisição de dados o envio dos sinais digitais é feito através da
subrotina write _digO.
28
3.2.3 - Microcomputador
O microcomputador utilizado na aquisição de dados em tempo real é um micro 486
DX, 50MHz, Winchester 250 MB, 8MB RAM. No sistema de aquisição de dados o micro
computador tem:- 1) a função de receber os sinais transmitidos pelos transdutores e arquivá
los em tempo real; 2) abrir e fechar as válvulas solenóide; 3) mostrar os dados experimentais
ao usuário, na forma gráfica.
O micro computador gasta um certo tempo para receber os sinais enviados pelos
transdutores, processá-los e mostrá-los ao usuário. Como o micro possui relógio interno é
possível determinar o intervalo de tempo entre duas aquisições, o que garante interação
entre o processo e o sistema de aquisição de dados.
3.3 - Sistema de Aquisição de Dados
Um sistema de aquisição de dados pode ser definido como uma unidade de
instrumentos eletrônicos que reúne dados de várias fontes, mede, processa e grava os dados
adquiridos. Além disso, fornece instruções de controle do processo monitorado, com base
nas informações medidas. Através de um sistema de aquisição de dados, é possível realizar
tais tarefas com maior rapidez e precisão do que utilizando-se operadores para
monitoramento do processo.
3.3.1 - Descrição do sistema de aquisição de dados
O sistema de aquisição de dados utilizado no presente trabalho se constitui dos
seguintes instrumentos:
1. Transdutores de pressão. Neste trabalho, foram utilizados quatro transdutores para
medir a pressão ao longo da tubulação. Os valores medidos são transmitidos para um
microcomputador PC na forma de um sinal analógico na faixa de 1 a 5 V.
29
2. Multiplexador, que é o responsável pela escolha dos transdutores que terão seus
sinais transmitidos ao microcomputador.
3. Conversor analógico - digital, que realiza a tarefa de converter os sinais analógicos
gerados pelos transdutores, em sinais digitais que serão reconhecidos pelo
microcomputador.
4. Microcomputador, que é o responsável pelo processamento e arquivo dos dados do
processo.
5. Programas de aquisição de dados. Estes programas enviam instruções aos
instrumentos componentes do sistema de aquisição de dados.
3.3.2 - Conversão do sinal analógico em digital
Os transdutores de pressão utilizados neste trabalho transmitem os valores de pressão
na forma de um sinal analógico na faixa de 1 a 5 V. Este sinal é recebido pela placa ADA e
convertido em sinal digital, ou seja, em número decimal equivalente na faixa de 1012 a 4095.
Esta conversão é feita de acordo com a seguinte relação:
(SD-1012) _(SA-l) (4095-1012)- (5-l)
onde SA é o sinal analógico e SD o sinal digital (número decimal equivalente).
(3.1)
Após a conversão do sinal, este será convertido em unidades de pressão, em
subrotinas leitura dos programas de aquisição de dados. Por exemplo, para os transdutores
de pressão que realizam medidas de até 15 psig a conversão em unidades de pressão é feita
da seguinte forma:
30
- para uma pressão de O psig, o transdutor gera um sinal de 1 V que corresponde a um
sinal digital (número decimal equivalente) de 1 O 12;
- para uma pressão de 15 psig, o transdutor gera um sinal de 5 V que corresponde a
um sinal digital de 4095.
Deste modo, para uma dada leitura de tensão (Volts), tem-se:
p = 15 (SD-1012) (4095 -1012)
(3.2)
De maneira semelhante, obtém-se a relação que representa a conversão do sinal digital
em unidades de pressão para transdutores que efetuam medidas de até 30 psig ou 60 psig:
p = 30 (SD-1012) (4095-1012)
P= 60 (SD-1012) (4095 -1012)
3.3.3 - Temporização dos programas de aquisição de dados
(3.3)
(3.4)
Utilizando-se o relógio interno do microcomputador, é possível determinar o intervalo
de tempo gasto pelo micro para efetuar a execução do laço de leitura nos programas de
aquisição de dados. Esta temporização é necessária para que se possa garantir a correta
correspondência entre o tempo e as leituras de pressão.
Dentro do laço de leitura, além da aquisição de dados em si, são feitas a conversão
dos sinais, a transformação dos sinais digitais em unidades de pressão, e filtragem dos dados.
31
Outra tarefa realizada na subrotina de leitura de dados (subrotina leitura), é o cálculo
da média de um determinado número de amostras. O valor médio obtido é considerado
como sendo o sinal transmitido pelo transdutor piezoelétrico. Este cálculo é feito visando
diminuir o efeito de oscilações, devido ao processo de bombeamento, sobre os valores de
pressão lidos, funcionando assim como um pré-filtro.
O tempo gasto na realização das tarefas descritas acima deve ser incorporado ao
tempo gasto pelo transdutor ao realizar uma leitura, pois geram um atraso na aquisição de
dados por ocorrerem entre duas leituras sucessivas. Desta forma, é possível garantir a exata
correspondência entre as variáveis de processo.
De modo a realizar a temporização dos programas de aquisição de dados, fazem parte
do programa principal a biblioteca time.h e a subrotina clock( ). Esta subrotina nada mais é
do que um relógio que mede o tempo consumido na realização do programa de aquisição de
dados, isto é, mede o tempo gasto pelos programas para executar o laço de leitura Assim, ao
inicializar-se o programa, a subrotina clock( ) liga o relógio interno do micro, e desliga-o ao
final do programa.
Com a utilização da subrotina clock( ), é possível saber o exato instante em que a
subrotina leitura é inicializada e o instante em que é finalizada. Ao se chamar a subrotina
leitura, o valor atual de clock( ) é arquivado em uma variável denominada tempo!. No
instante em que se finaliza a subrotina, o valor atual de clock( ) é arquivado em uma variável
tempo2. A diferença entre tempo2 e tempo! corresponde ao tempo gasto na execução da
subrotina leitura. Dividindo-se este valor pelo número de vezes que se realiza o laço de
leitura, tem-se o intervalo de tempo consumido entre duas leituras seguidas para um dado
transdutor. Dentro da subrotina, são feitas 250 leituras para cada transdutor quando se
utiliza o programa SC4.C.
Durante os experimentos realizados para temporização dos programas de aquisição de
dados, a subrotina leitura foi executada por 100 vezes com o intuito de obter um valor
32
médio representativo do tempo gasto para executar a subrotina leitura. Deste modo, o
intervalo de tempo consumido pelo micro entre duas leituras sucessivas de um dado
transdutor pode ser calculado da seguinte maneira:
llt = (tempo2- tempo!) JOOxnl
onde nl é o número de leituras executadas.
(3.5)
A Tabela 3.4 traz o tempo gasto entre duas leituras para os programas de aquisição de
dados desenvolvidos.
Tabela 3.4. Intervalo de tempo gasto entre duas leituras de pressão de um dado transdutor
Programa Intervalo de tempo (s)
SC4.C 0.010456
SCON.C 0.01683564
3.4 - Filtragem de Dados
Durante a aquisição de dados de um processo qualquer, ruídos podem ser gerados por
várias fontes tais como um instrumento de medição, equipamentos elétricos, ou por uma
variável do processo (Ex.: variações na vazão de escoamento). A presença de vazamento em
na tubulação gera um transiente hidráulico, que pode ser confundido com estes ruidos,
dependendo da magnitude do vazamento. De modo a se identificar corretamente um
vazamento, torna-se necessário reduzir ao máximo estes ruidos.
A redução de ruídos em um processo qualquer é possível através da filtragem dos
dados. No presente trabalho utilizou-se um filtro média aritmética e um filtro exponencial
duplo.
33
3.4.1- Média aritmética
Uma forma de reduzir o nível de ruídos em um processo qualquer é calcular a média
de um deterrnínado número de medidas sucessivas e considerá-la como sendo o valor
filtrado de uma detemrinada variável, para o intervalo de tempo consumido durante as
medidas.
Para o programa de aquisição de dados SC4.C, calculou-se a média de 50 medidas de
pressão para cada transdutor. Este valor médio é considerado como sendo a medida feita
pelo transdutor, sendo então convertido em sinal digital, e posteriormente em unídades de
pressão.
Para o programa SCON.C, considerou-se como a leitura de um transdutor em um
dado instante, a média de 100 medidas de pressão sucessivas. Entretanto, a redução de
ruidos obtidas através deste filtro não é considerada satisfatória para sistemas com ruidos de
alta frequência, sendo necessária a utilização de outro filtro. Assim sendo, a média aritmética
geralmente é utilizada como um pré-filtro em um sistema de aquisição de dados.
3.4.2 - Filtros analógicos
Um filtro analógico é definido por uma função de transferência de primeira ordem ou
por uma equação diferencial de primeira ordem. Sendo assim, a equação a seguir representa
um filtro analógico:
dY(t) ~p.--+ Y(t) =X(t)
dt
onde X(t) é o valor medido, Y(t) é o valor filtrado e tp a constante de tempo do filtro.
(3.6)
34
Os filtros analógicos têm sido utilizados como pré-filtros, de modo a reduzir ruídos de
alta frequência.
3.4.3 - Filtros digitais
Filtro exponencial simples
Um transdutor de pressão transmite uma sequência de medidas de pressão que podem
ser representadas como X., X..~, Xn-2, ... , onde n corresponde à medida atual e n-1 à medida
anterior. A cada medida corresponde um valor filtrado Y., Y •. ~, Y •. 2, ... etc.
No instante de tempo n, a derivada da equação (3.6) pode ser reescrita utilizando-se
diferenças finitas:
(3.7)
Reescrevendo a equação (3 .6) como:
(3.8)
Rearranjando o termo constante na equação (3.8) e definindo-o como ct, tem-se que:
1 (sendo O< a:>: 1) (3.9)
Substituindo-se a equação (3.9) na equação (3.8) obtém-se:
(3.10)
35
A equação (3.10) mostra que o valor filtrado de uma medida é função da medida atual
e do valor filtrado anterior. Os casos limites para a são:
1. quando a = 1, tF = O :- não há filtragem;
2. quando a~ 0:- ignora-se a medida.
Filtro exponencial duplo
O filtro exponencial duplo nada mais é do que um filtro exponencial simples filtrando
o sinal de outro filtro exponencial. Aplicando um filtro exponencial simples ao sinal filtrado
fornecido pela equação (3 .1 O) e ao sinal filtrado no instante anterior, tem-se:
(3.11)
Y n-1 = y.Yn-1 +( 1- y).Y n-2 (3.12)
Substituindo-se a equação (3.11) na equação (3.12), obtém-se:
Y n = y.et.Xn +y.(1-et).Yn-1 +(1- y).Y n-1 (3.13)
Isolando-se o termo Yn-I na equação (3.12) e substituindo-o na equação (3.11) tem-se que:
Y n =et.y.Xn +(2- y -et).Y n-1-(1-et).(1- y).Y n-2 (3.14)
Considerando y =a, podemos simplificar a equação (3.14):
- 2 )- ( 2-Yn=Ct .Xn +2.(1-et .Yn-1- 1-et) .Yn-2 (3.15)
A equação (3 .15) indica que o valor filtrado no instante n, é função do valor medido
no mesmo instante e dos valores filtrados nos instantes n-1 e n-2.
36
O filtro exponencial duplo fornece melhores resultados que o exponencial simples e o
analógico, e por isso foi o escolhido para ser utilizado neste trabalho. Estudos realizados por
Naves (1991) mostram que os melhores resultados de filtragem foram obtidos utilizando-se
a = 0,5. Portanto, este foi o valor de a utilizado no sistema de aquisição de dados.
3.5 - Programas de Aquisição de Dados
Neste trabalho foram desenvolvidos os seguintes programas de aquisição de dados:
SC4C.C e SCON.C.
Nos experimentos de detecção de vazamentos na tubulação transportando líquido
utilizou-se o programa SC4.C responsável pela abertura da válvula solenóide com o objetivo
de simular vazamentos. No programa SC4C.C são lidos os sinais emitidos pelos 4
transdutores de pressão. As tarefas desse programa, são:
1. Fechamento da válvula solenóide, de modo a garantir o estado estacionário;
2. Limpeza da tela;
3. Aquisição de dados para o estado estacionário;
4. Conversão dos dados lidos em sinais digitais e posteriormente, em unidades de pressão;
5. Filtragem dos dados de estado estacionário;
6. Impressão na tela do micro, do perfil de pressão obtido para o estado estacionário;
7. Limpeza da tela;
8. Abertura da válvula solenóide, iniciando ass~ o estado transiente;
9. Leitura dos dados no estado transiente;
10. Conversão dos dados em unidades de pressão;
11. Filtragem dos dados de estado transiente;
12. Impressão na tela do micro, do perfil de pressão obtido para o estado transiente;
13. Fechamento da válvula solenóide;
14. Arquivo do perfil de pressão do estado transiente
37
A listagem do programa SC4.C encontra-se no Apêndice 5.
Para os experimentos utilizando-se misturas gás-liquido desenvolveu-se o programa
SCON.C, que faz a aquisição, imprime na tela e arquiva os dados de pressão x tempo
simultaneamente. As tarefas do Programa SCON.C são:
1. Fechamento da válvula solenóide, de modo a garantir o estado estacionário;
2. Limpeza da tela;
3. Aquisição de dados para o estado estacionário;
4. Conversão dos dados lidos em sinais digitais e posteriormente, em unidades de pressão;
5. Abertura da válvula solenóide, iniciando o estado transiente - injeção de bolhas isoladas ou múltiplas bolhas;
6. Leitura dos dados no estado transiente;
7. Para os casos onde ocorre vazamento: Abertura da válvula solenóide, iniciando o vazamento;
8. Para os casos onde ocorre vazamento: Leitura dos dados no estado transiente;
9. Conversão dos dados em unidades de pressão;
1 O. Impressão contínua na tela do micro, dos perfis de pressão do estado transiente;
11. Arquivo continuo dos perfis de pressão;
12. ; Fechamento da válvula solenóide;
A listagem do programa SCON.C encontra-se no Apêndice 5.
38
4- RESULTADOS E ANÁLISE
No presente capítulo serão apresentados os resultados obtidos no estudo da técnica de
detecção e localização de vazamentos em tubulações transportando líquido, bem como
misturas gás - líquido. Procurou-se analisar a influência da vazão de fluido escoando na
tubulação, da magnitude e da posição do vazamento, sobre:
• perfil de pressão ao longo da tubulação;
•velocidade de propagação da onda de pressão;
• sensibilidade rninima do sistema em relação a vazão de vazamento.
4.1 - Transientes de pressão em tubulações transportando líquido
Neste ítem serão apresentados os resultados de um estudo detalhado da técnica de
detecção de vazamentos em uma tubulação transportando líquido (água). Os experimentos
foram realizados para uma ampla faixa de vazões de água, Reentre 2000 e 12000 e para
porcentagens de vazamento entre 2% e 50% da vazão nominal de líquido.
As Figuras 4.1 e 4.2 mostram resultados obtidos. Todos os resultados experimentais
obtidos para este caso estão no Apêndice 2.
Como observado em trabalhos anteriores, a ocorrência de vazamento na tubulação
causa uma brusca redução na pressão seguida de uma recuperação parcial. A magnitude da
redução de pressão, bem como da recuperação, depende do número de Re e da vazão de
vazamento.
A partir das Figuras 4.1 e 4.2 verifica-se que a técnica desenvolvida detecta
prontamente vazamentos da ordem de 1 O %, para Re na faixa de escoamento laminar, e
vazamentos de 2 % para Re na faixa de escoamento turbulento. A partir das medidas de
pressão nos diversos transdutores, observa-se também o amortecimento da onda de pressão
ao longo da tubulação.
Õl ;;; $ o .., "' "' !!! Q.
10.0
Re=2000 y(m) vaz.= 11 %(250m}
T1 (+244) 8.0
T2 (+494)
T3{+744)
6.0 !- T4{+004)
i
4.0 f
---- - --- -2.0 ~
;:::....=..-_- :.::..---~:::::-:--- ..,..,...::__-.::=--=----.
0.0 ~--~~-~~--'---~--'--~-.J 0.0 2.0 4.0 6_0 8.0 10.0
tempo (s)
15.0 ~. ---------------
10.0 ~
r 0.0 f-
Re= 4000 vaz.= 10% (250 m)
y{m)
T1 (+244)
T2 {+494)
T3(+744)
-5.0 -:-~--:':~~~--~--'--'-~---' 0.0 1 .o 2.0 3.0 4.0 5.0
tempo (s)
15.0 ~-------------:c;::;-c y(m) Re=SOOO
vaz.= 2,5% (250m)
10.0 ~
---5.0 f-
T1 (+244)
T2 (+494)
T3(+744)
T4 (+994)
~-------------------·
0.0 ~
-5.0 L_-~,-----~--~-__j 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0
tempo (s)
~ & o .. ~ !!! Q.
10.0----------------
s.o r
6.0 ~
4.0 r-
Re=2000 vaz.= 48% (750 m)
-------
y(m)
T1 (~256)
T2 (-6)
T3 (+244)
T4 (+494)
15.0 c,-----------------
t l f
10.0 c '
Re=4000 vaz.= 48% (750 m)
5.0~:----
y(m)
T1 {~256)
T2 (..S)
T3 (+244)
T4(+494)
L ,"--, __ ~ - ......_, - -;::----~
v
0.0 c --------
39
1.0 1.5 2.0 2.5 tempo (s)
15.0 ~-----------------,
Re=6000 vaz.= 50% (750 m)
l 10.0 ~ t-~ ~
5.o H ~--:----;
\ ........__·\
0.0 i..
------
y(m)
T1 (~256)
T2(-6)
T3(+244)
T4 (+494)
-5.0 '-' ------'-----~-----' 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 .5
tempo (s)
Figura 4. L Transientes de pressão (Re = 2000 a 6000)
40
20.0 ~~--------------
15.0
Re= 8000 vaz. = 2,5%(250 m)
y(m)
T1 (+244)
T2 (+494)
T3(+744)
T4 (+994)
r~~--~----------1o.o ~ ------ ----
5.0 F--------------------
r--' 0.0 L' ~~~-'---~-'-~--'~----'-----'
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 tempo (s)
25.0~---------------Re= 10000 vaz. = 2 % (250 m)
20.01-
y(m)
T1 (+244)
T2 (+494)
[:-e-----------=-=-=:_~T3 (+744)
15.0 ~ T4 {+994)
f r---· -- ---- -- --- -i 10.0 ~
~ a. ;:---- ..... ______________ _
'âi
s.o r
0.0
-5.0 '--~--~~~~~-~~-~~ 0.0 2.0 4.0 6.0 8_0
tempo (s)
30.0----------------Re= 12000 y(m) vaz.= 2,5% (250m)
25.0 ~l"'--------------T1 (+244) i
T2 (+494)
2Q.Q L T3('4-744)
T4 (+994)
! 15.0-
o
~ e 10.0 !-
~-----------------o.
5.0 ~
0.0
-5o L~'-'~~-'-~~--'-~--~~ 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0
tempo (s)
20.0 r.-----------------; I Re=8000 y(m) L vaz.=50%(750m)
15.0 ~. T1 (-256) ~ T2 (-6)
, ___ ""' T3 (+244)
t - T4(+494) -~ 10.0 ~
~fi~~ "' t' 1 5.0 ~- ___ -\
·, \
~ -- - /..::..::...::/ - -
DOr- .-.,-I ' -- --___ ..:;:: ____ )
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 tempo (s)
25.0---------------Re = 10000 vaz. =50% (750 m)
20.0 ~
~ 15.0 ~
y(m)
T1 (-256)
T2 (-6)
1 f;
T3 (+244}
T4(+494)~
~ ,g 10.0 ~\
ill ~
5.0
--0.0-
05
·-.-~. ~--.r-~· .....
1.0 1.5 tempo (s)
2.0 2.5
30.0 --------------~ Re= 12000 va:z. = 49% (750 m)
25.QL--~ ,
y(m)
T1 (-256)
T2 (-6)
T3(+244) 20.0 ~ \~+494)
5.0;...
-5.0 '--'-~-'---~~-~---'-~-0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
tempo (s)
Figura 4.2. Transientes de pressão (Re = 8000 a 12000)
41
4.1.1- Máxima queda de pressão na tubulação (dPmax)
Quando ocorre um vazamento, a pressão no interior da tubulação sofre uma brusca
redução, recuperando-se a seguir. A magnitude da redução, bem como a da recuperação,
depende da vazão do fluido escoando na tubulação e da vazão do vazamento.
Neste trabalho, determinou-se para cada experimento o valor máximo (dPmax) da
variação de pressão observada nos diferentes transdutores, em relação à pressão no estado
estacionário (antes do vazamento). Deste modo:
dPmax = [(po- p1/ pa).IOO%] (4.1)
onde po é a pressão no estado estacionário (antes do vazamento) e p1 é o valor do pulso de
pressão, quando da ocorrência do vazamento (Figura 4.3).
tempo
Figura 4.3. Màxima queda de pressão na tubulação (dPmax)
As Figuras 4.4 e 4.5 mostram a variação de dPmax ao longo da tubulação, em função
da magnitude do vazamento e do número de Reynolds. Em geral a queda de pressão
observada nos transdutores mais próximos da entrada da tubulação, ou seja mais próximos
da bomba, é menor do que aquela observada à saida da tubulação. Isto ocorre devido a
aceleração da bomba, quando ocorre o vazamento, compensando a redução na pressão.
42
A Figura 4.4 mostra a variação de dPmax para o caso em que o vazamento está a 250
m da entrada, isto é, para o caso em que todos os transdutores estão localizados a jusante do
vazamento.
Para vazamentos de até 1 O % a queda na pressão é praticamente constante ao longo
da tubulação, exceto paraRe= 12000 onde o efeito de aceleração da bomba diminui o valor
de dPmax à entrada da tubulação.
~r.----------------------------
200 !-
~ 150
! "C 100
50 f-
Re= 2000 vazamento a 250 m
vaz. (%)
50
!::. 30
10
o 5
2
400 600 800 1000 posição do transdutor (m)
1200 1400
250----------------------------~
200,...
- 150, ~ ~ ~ "C 100;..
50 f-
Re =8000 vazamento a 250 m
vaz. (%)
50
6
X o o
30
10
5 :f:
2~ o~~~~~§~S~~-o 200 400 600 800 1 000 1200 1400
posição do transdutor (m)
250-----------------------------
200 ~
- 150 ~ ~ '
~ X
l !ô 100 ~
50~
Re=6000 vazamento a 250 m
vaz. (%)
50
D 30
* 10
o 5
() 2
200 400 600 800 1000 posição do transdutor (m)
1200 1400
250----------------------------~
200
- 150 ~ ~ E "--o 100
50
Re = 12000 vazamento a 250 m
vaz. (%)
50
o X
30
10
5
!
I
o'-----'-~~il>-~:::::·=~~=· =~=·:':::..._j o 200 400 600 800 1 000 1200 1400
posição do transdutor (m)
Figura 4.4. Valor de dPmax ao longo da tubulação (vazamento a 250m)
•
43
No caso dos vazamentos ~ 30 % e Re :o; 8000, as curvas na Figura 4.4 apresentam um
máximo. Na extremidade a montante do vazamento, o efeito de aceleração da bomba
compensa a queda de pressão registrada pelo transdutor Tl, enquanto que na extremidade a
jusante, a redução no valor de dPmax se deve também ao amortecimento da onda de
pressão gerada com a ocorrência do vazamento. Este último efeito é mais pronunciado
quando Re = 2000, ou seja para regime de escoamento laminar na tubulação. Para Re =
12000, também se observa a redução no valor de dPmax à entrada da tubulação, no entanto,
na extremidade à saída o amortecimento da onda de pressão não é observado.
250: 250 Re = 2000 Re = 6000 vazamento a 750 m vazamento a 750 m
200 vaz. (%} 200 vaz. (%)
50 -'- 50
~ 150 30
~ 150 o 30
* 10 ~
* 10
~ • o 5 ê o 5 ::j: Q. Q.
" 100 ., 2 " 100 r. 'J v 2
-'-
~ 50
~ 50-
@i § @
o o 200 400 soo 800 1000 1200 1400 o 200 400 """ 500 1000 1200 1400
posição do transdutor (m) posição do transdutor (m)
250 250 Re = 8000 Re = 12000 vazamento a 750 m vazamento a 750 m
200 vaz. r.-) 200 leak (0/o)
50 50 ' ~ 30 + 30
~ 150 ê 150 + * 10
ê • * 10
o 5 ~ ê
Q. ~ Q. o 5
" 100 o 2 w " 100 6 +
~ 2
+ 5QL. 50t- ~
"' ~ ~ !' o o o 200 400 600 500 1000 1200 1400 o 200 400 600 800 1000 1200 1400
posição do transdutor (m) posição do transdutor (m)
Figura 4.5. Valor de dPmax ao longo da tubulação (vazamento a 750 m)
44
A análise acima também se aplica para o caso em que o vazamento está a 750 m da
entrada, no que diz respeito ao efeito de aceleração da bomba compensando a queda de
pressão. Já o amortecimento da onda de pressão registrado pelos transdutores T3 e T4, não
é tão acentuado, desde que o vazamento está mais próximo destes transdutores do que no
caso anterior de vazamento a 250 m. Deste modo, a queda de pressão na extremidade a
jusante da tubulação, é maior para os casos na Figura 4.5 do que para aqueles na Figura 4.4.
Por outro lado a queda de pressão na extremidade a montante, é maior para os casos na
Figura 4.4 desde que a ocorrência de vazamento a 750 m gera uma onda de pressão que
será amortecida, também pelo fato de se propagar no sentido contrário ao escoamento do
fluido.
4.1.2- Velocidade de propagação da onda de pressão
A velocidade de propagação da onda de pressão é uma variável importante no estudo
do comportamento do transiente hidráulico.
Quando ocorre um vazamento em uma tubulação ondas de pressão negativas viajam a
montante e a jusante da posição do vazamento. Processando-se os sinais enviados pelos
diversos transdutores é possível determinar a velocidade da onda de pressão ao longo da
tubulação. O cálculo da velocidade é feito utilizando-se os tempos de detecção dos
transientes de pressão pelos diversos transdutores, juntamente com os valores conhecidos
das distâncias entre os transdutores.
A velocidade da onda foi determinada para diversas condições de operação da
tubulação (vazão nominal de líquido, magnitude e posição do vazamento). A Figura 4.6
mostra que os valores da velocidade de propagação da onda de pressão estão entre 490 a
540 m/s. A velocidade da onda mostra-se praticamente independente do número de
Reynolds, bem como da magnitude e da posição do vazamento. Os valores da velocidade
da onda são ligeiramente inferiores ao valor predito teoricamente de 552 m/s, segundo
Wylie e Streeter (1983).
;e g o .. ~ e C>
.!J -\! c o
"' ., " ., "' :!2 o .Q
" >
45
600 ~------------~ 600~------------------------
600
550
500
450
400 o
vazamento= 50%
y(m) () ~
+744~ ó4i <> ~ +244 t
+494X *
2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 número de Reynolds
vazamento = 2 %
y = distância entre o vazamento e o transdutor mais próximo
«<DL_--~ __ L_ __ L_ __ ~--~--~~
o 2000 4000 6000 8000 1 0000 12000 14000 número de Reynolds
(a) Influência do número de Re
600f Re = 12000 Re =2000
I r y(m)r o 550 f-
() 1 +244: .. ' y(m) "' T "' ~() . i====d:~: () +744 e C>
'~ " ., 500~·. ()
' -6 -\! c o
f "' ., -!l r
' "' ' :!2 450~ y = distância entre o vazamento
o .Q
e o transdutor mais próximo !!
«<D 10 20 30 40 50 60 o 10 20 30 40 50 60
vazamento (%) vazamento (%)
(b) Influência da magnitude do vazamento
Figura 4.6. Velocidade de propagação da onda de pressão.
46
4.2 - Injeção de bolhas isoladas de ar, sem vazamento
O primeiro estudo realizado com misturas ar - água, foi o do efeito causado pela
injeção de bolhas isoladas de ar, sobre no perfil de pressão ao longo da tubulação, sem a
ocorrência de vazamento.
Para uma dada vazão de líquido, ou seja para um número de Reynolds (Re) fixo,
foram injetadas bolhas isoladas. O sistema foi monitorado durante tempo suficiente para
que a bolha percorresse toda a tubulação. A Tabela 4.1 contém as condições de operação da
tubulação.
Tabela 4.1. Injeção de bolhas isoladas de ar, sem vazamento. Condições de operação
Re (baseado na vazão de líquido) 2000 a 12000
tempo de injeção de ar 2,5 s· 10 s
pressão na linha de alimentação de ar 4 kgl7cm2
As Figuras 4.7 e 4.8 mostram os perfis dos transientes pressão, quando o tempo de
injeção da bolha é de 2,5 s e 1 O s, respectivamente. A injeção de ar na tubulação foi
realizada por computador, através da abertura de uma válvula solenóide, interfaceada ao
micro por meio da placa ADA. O tempo de injeção foi estabelecido no programa de
aquisição de dados.
Assumindo que a bolha de ar se desloca com a mesma velocidade do líquido, o tempo
de cada experimento foi o suficiente para que todo o ar deixasse a tubulação. Normalmente,
este intervalo de tempo foi superior a trinta minutos. Para facilitar a análise dos resultados e
evitar que a capacidade de memória do computador fosse ultrapassada, foram construídos
vários gráficos para um mesmo experimento. O conjunto completo dos experimentos
realizados encontra-se no Apêndice 3.
"' IRe 12000 ; Pressão ar 4 kgf/cm2 ~Injeção 2,5 s
30 i I ~ i Transd. í
~--'-------~---~
~ ~ o 20---!
I(IS • Transe!. 2 l t>--------------~...:......:...
Transd. 3 10 -L...~. -----------------
o ""' Tempo (s)
Transd. 4
1200 1aoo
.,_,-----------------------------,
30
Re8000 Pressão ar 4 kgf/em2 Injeção 2 ,5 s
~~------------~~r-~~Trnn~oi1 10~ ~ ~sd.2
lJ~I ---------------------=r~ __ m0.3 Transd. 4
o 400 ""' Tempo (s) 1200 1600
"'~-------------------------------c i Re 2000 l Pressão ar 4 kgf/cm2 llnjeção 2,5 s
o aoo Tempo (s)
1200
"' IRe 10000 !Pressão ar 4 kgf/cm2 ~Injeção 2,5 s
30~ i
' i .s o 20-i .. 0 0 e ~! a.
10 j I
j
" ! "
o
o "" aoo Tempo (s)
"' Re6000 Pressão 4 kgf/cm2
! Injeção 2,5 s
30.......:
a ·;; .s o 20......; .. 0 0 e a.
10-
' ' o
400 aoo Tempo (s)
Figura 4. 7. Injeção de bolhas isoladas de ar (t; = 2,5 s)
47
Transd. 1
Transd. 2
Transd. 3
Transd. 4
1200 1000
Transd. 1
Transd. 2
Transe!. 3 Transd. 4
1200 1000
48
i 8 o ... 18 I!! a.
!
~~~~~-----------------------c ~Re 12000 , Pressao ar 4 kgf/em2
-jlnjeção 10 s
30-j ~
_,:......../
' "
"_J \ ..,1-J' J
,-J J
o eoo Tempo (s)
Transd. 1
Transd. 2
Transd 3
Transd. 4
1200 1600
~-,----------------------------~ ~.1 RellOOO I Pressão ar 4kgf/cm2
...: Injeção 10 s
1 j
o 20 ~
1 ~~: [\~-------------T-n>n_"'_· -1-
-~ .s o
'! e ..
~ l 10 -i l Transe!. 2
ti: \'------------T~n>n:::;:"'::.· ;:.3_
. Transd. 4 ~ o +=;:=;:::;=:=:=:=;=:;:=;::=:==;:::;::=~
o
~
l
1 30........;
] 20~
J ~
10 _j
o
400
Re4000
800 Tempo (s)
Pressão ar 4 kgf/cm2 Injeção 10 s
800 1200 Tempo(s)
1200 1600
1600 2000
:g; 0
8 o ... 0 ., I!! a.
40--,;::-c:=::--------------------------Re 10000
' ~ " --, i
" l J
10 --j
o
Pressão ar 4 kgf/cm2 Injeção 10s
i
eoo Tempo (s)
1200
Transd. 1
Transd. 2
Transd. 3
Transd. 4
1600
"'------------------------------,
30
o
R.e 6000 Pressão ar 4 kgf/cm2 Injeção 10 s
400 800 1200 Tempo (s)
1500 2000
~--~R~e-.20~00~---------------------,
Pressão de ar 4 kgf/cm2 Injeção 10s
o~
o 400 800 Tempo (s)
1200 1600
Figura 4.8. Injeção de bolhas isoladas de ar (ti= 10 s)
49
Os resultados nas Figuras 4.7 e 4.8 mostram que quando a válvula solenóide é aberta,
permitindo assim a entrada da bolha de ar, a diferença de pressão entre a linha de
alimentação de ar e a tubulação produz de uma onda de choque que viaja ao longo da
tubulação. Os pulsos de pressão nas Figuras 4.7 e 4.8 indicam a passagem da onda de
choque pelos vários transdutores. De um modo geral, observou-se que a presença da bolha
não altera o valor da pressão ao longo da tubulação. Do mesmo modo, não houve alteração
nos perfis de pressão, devido a passagem da bolha pelos transdutores.
Com a pressão na linha de alimentação de ar fixa, uma variação no número de Re
significa uma variação na vazão de alimentação de ar. Para uma pressão de 4 kgf7cm2 na
linha de ar, urna menor quantidade de ar é injetada para Re = 12000 do que para Re =
I 0000. Isto acontece devido a diferença de pressão existente entre a linha de ar e a
tubulação onde escoa água. Desta forma, nos experimentos realizados, a quantidade de ar
injetada no sistema foi variada juntamente com o número de Reynolds.
O efeito da quantidade de ar injetado pode, no entanto, ser analisado através da
Figura 4.9, que mostra o valor máximo do pulso de pressão (Pmax) ocasionado pela
passagem da onda de choque pelos vários transdutores, medido para os vários
experimentos.
! i a.
35.0
30.0 i-
25.0
20.0
15.0
10.0 r
5.0 ~
/~ I
::::
t; (s) o 10
+ 2.5
\ 0.0'---'~-~--'-~-'---~~~_j
o 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 número de Reynolds
Figura 4.9. Valor máximo do pulso de pressão (Pmax)
50
A partir da Figura 4.9, duas situações são observadas. A primeira, é que paraRe~
8000 o valor de Pmax diminui com o aumento do Re, isto é, à medida que o Re na
tubulação aumenta, o impacto causado pela injeção da bolha diminui. Nesta situação o
aumento do volume da bolha não influencia o valor máximo do pulso de pressão.
Na segunda situação, para Re s: 8000, o valor do pulso de pressão aumenta com o
aumento da quantidade de ar injetado. Observa-se também que a onda de choque tem maior
dificuldade para propagação quando o regime de escoamento é laminar.
4.3 -Injeção de múltiplas bolhas de ar, sem vazamento
Neste item são apresentados os dados dos experimentos de injeção de múltiplas
bolhas de ar, sem vazamento provocado. Nestes experimentos, ar foi injetado durante 2,5
segundos na tubulação em intervalos regulares de 10 segundos. Variou-se a vazão de
alimentação de líquido, bem como a pressão na linha de alimentação de ar. A Tabela 4.2
contém as condições de operação da tubulação.
Tabela 4.2. Injeção de múltiplas bolhas, sem vazamento. c di- d -on çoes e operaçao
Re (baseado na pressão do ar vazão de líquido) (kgf7cm2
)
12000 4
8000 4
4000 4
2000 4
12000 4,8
4000 2,5
A Figura 4.10 mostra os perfis de pressão gerados quando um volume fixo de ar é
injetado na tubulação em intervalos regulares de I O segundos.
~~~~~--------------------~ !Re 12000
lPar 4kgf/cm2
....1 , Transd. 4 I
o ~~:::::;::::;::::;:==:::;:::::::::::~ ' o 200 400
Tempo (s) 800
~~----------------------------~ ~ Re4000
Par 4 kgflcm2
"'I
o eoo Tempo (s)
Transd. 4
o .::=±±:~::;:::;=;::=;::::;=~~ o ,00 200 300
Tempo(s)
51
~-,------------------------------, ReBOOO Par 4 kgf/cm2
o "" 400 OXl
Tempo (s)
Tempo (s)
~--------------------------------, Re4000 Par 2,5 kgf/cm2
""
o "" ~ eoo Tempo (s)
Figura4.10. Injeção de múltiplas bolhas
52
A injeção de cada bolha gera uma onda de choque, que se propaga por toda a
tubulação. Com a injeção de múltiplas bolhas, procurou-se analisar a influência da
quantidade de ar contida no sistema, sobre a propagação da onda de choque.
Para evitar que a capacidade de memória do microcomputador fosse ultrapassada,
também neste caso foram construídos mais do que um gráfico para cada experimento. O
conjunto completo de experimentos encontra-se no Apêndice 4.
Os experimentos realizados mostram claramente que com o passar do tempo o
sistema tende a entrar novamente em regime permanente, sendo que este novo estado de
equilíbrio é caracterizado por uma pressão maior do que aquela no estado inicial. O tempo
necessário para a estabilização do sistema é praticamente o mesmo em todos os casos.
4.4 - Injeção de bolhas isoladas, com ocorrência de vazamento
No presente estudo, procurou-se analisar a sensibilidade do sistema de detecção de
vazamentos na presença de uma bolha de ar injetada na tubulação.
Com a ocorrência de vazamento ondas de pressão viajam a montante e a jusante da
posição do vazamento. Procurou-se determinar o comportamento da onda de pressão
quando esta se depara com uma bolha de ar se deslocando na tubulação. Para um dado
número de Reynolds do líquido, bolhas com volumes diferentes foram injetadas na
tubulação e a seguir foi provocado um vazamento.
Com objetivo de analisar a influência que uma bolha de ar exerce sobre o sistema de
detecção de vazamentos, ar foi injetado na tubulação durante um dado intervalo de tempo.
Considerou-se que a bolha se desloca com a mesma velocidade do líquido, de modo a se ter
uma noção da sua localização na tubulação durante cada experimento. Deste modo, o
vazamento foi provocado somente quando a distância estimada da bolha era de 600 m da
53
entrada da tubulação, ou seja, depois do primeiro ponto de vazamento (a 250m) e entre os
transdutores TI e T2. As condições de operação estão na Tabela 4.3.
Tabela 4.3. Injeção de bolhas isoladas, com ocorrência de vazamento. Condições de OPeração
Re V!íquido (crn!s) vazamento tempo de (%) iniecão (s)
10000 52,5 50 10
10000 52,5 50 20
Os resultados obtidos estão na Figura 4.11 e mostram que com a ocorrência de
vazamento, a pressão sofre uma brusca redução, mas seu valor não se recupera. Estes
resultados podem ser comparados com o resultado na Figura 4.2, para Re=IOOOO e
vazamento = 50 % onde se observa recuperação parcial do perfil de pressão durante o
vazamento.
40 iRe 10000 ~Vz.SO% ~Posição do Vazamento 250 m ~ 10 s de injeção de ar
o 20
Tempo (s) 40 "'
40~---------------------------i Re 10000
""1Vz. 50% ~ Posição do Vazamento 250 m J 20 s de injeção de ar
,J
~ o 20 -i 1 a.
j ;_ __ , ----T~ransd. 1
----.!5n"""'· 2
:-----------..~---===sTransd. 3 Transd 4
o _;:::::;::::;::=::::;::=:;:=:;=;:===:;=;=;:_:_ o 40
Tempo (s)
Figura 4.11. Injeção de bolha isolada, com vazamento.
Os perfis de pressão na Figura 4.11 mostram uma diminuição na sensibilidade do
sistema do sistema de detecção em função do aumento do volume da bolha. A Tabela 4.4
54
mostra os valores de pressão medidos nos transdutores TI, T2 e T3, quando o tempo de
experimento é de 30 s. Com o aumento do volume da bolha a queda de pressão, causada
pelo vazamento, diminui.
Tabela 4 .4. Pressão medida para um tempo igual a 30 s.
ti= 10 s ti =20 s
Transdutores pressão (psig;) pressão ( psig)
TI 9,4 11
T2 6,8 8,1
T3 3,6 4,2
Outra informação obtida dos experimentos foi a velocidade da onda de pressão. Esta
foi calculada com base nos instantes de tempo em que a onda passa pelos diferentes
transdutores, como mostra a Tabela 4.5.
Tabela 4.5. Velocidade de propagação da onda de pressão
v (rn!s) v médio i
Re vazamento tempo de Tl/T2 T2/T3 Tl/T3 (rn!s) (%) injeção (s)
10000 50 lO 281 472 352 368
10000 50 20 362 454 403 406
Os valores da velocidade da onda na Tabela 4.6, quando comparados com aqueles
obtidos para a água (490 a 540 m/s), mostram que a presença de ar na tubulação absorve
parte do impacto da onda de choque causada pelo vazamento. Isto deve explicar a não
recuperação da pressão medida durante a ocorrência do vazamento. Por fim, o aumento do
volume da bolha contribui para o aumento da pressão ao longo da tubulação, atenuando o
impacto causado pelo vazamento.
55
4.5 -Injeção contínua de ar, com vazamento
Finalmente, realizou-se um estudo da sensibilidade da detecção de vazamento de um
líquido, na presença de ar escoando continuamente pela tubulação. Os resultados
experimentais foram obtidos com o programa de aquisição de dados SCON.C, para
diferentes condições de operação da tubulação.
Nestes experimentos, para uma dada vazão de líquido (água) e gás (ar) variou-se a
magnitude e posição dos vazamentos de água na tubulação. A vazão de alimentação de ar
foi medida através de um rotâmetro e corrigida para a temperatura e pressão de trabalho,
conforme recomendação do fabricante. A Tabela 4.6 contém as condições de operação da
tubulação, bem como o regime de escoamento gás-líquido correspondente a cada
experimento. O método utilizado na determinação do regime de escoamento está no
Apêndice 6. As Figuras 4.12 e 4.13 mostram os perfis de pressão gerados na presença de
um vazamento de água, para o caso de escoamento contínuo de uma mistura ar-água.
Tabela 4.6: Injeção contínua de ar, com vazamento. Condições de operação
Re (baseado na Q"' P .. vazamento(%) posição do Regime de vazão de água) 0/min) (kgf/cm2
) vazamento (m) escoamento
10000 1,7 2,4 10 250 empistonado
10000 1,7 2,4 10 750 empistonado
10000 1,7 2,5 30 250 empistonado
10000 1,7 2,5 30 750 empistonado
10000 1,7 2,5 50 250 empistonado
10000 1,7 2,5 50 750 empistonado
10000 8,6 3,2 50 250 empistonado
10000 7,6 3,1 50 750 empistonado
10000 19,0 3,9 50 250 estratificado
10000 19,0 3,8 50 750 estratificado
10000 1,7 2,5 30 250 empistonado
10000 1,7 2,5 30 750 empistonado
56
40.0 40.0
Re (água)= 10000 Re {água)= 10000 vaza o ar= 1, 7 1/min vazao ar= 1,71/min vazamento= 10% (a 250m) vazamento= 10% (a 750 m)
300 30.0
y{m) y(m)
~ (+244m) ~ (-256m)
o 20.o r o 20.0 '!I ' (+494m) '!I (-6m) ~ • ~ ~
10.0 L (+744 m)
10.0 (+244m)
(+994 m) (+494m)
0.0. 0.0 o 10 20 30 40 50 60 o 10 20 30 40 50 60
tempo (s) tempo (s)
40.0 40.0
Re (égua)= 10000 Re {água)= 10000 vazao ar= 1, 7 Vmin
' vazao ar= 1,7 Vmin
vazamento= 30% (a 250m) c vazamento= 30% (a 750 m) I
30.0 t- 30.0 l y(m)
~ y{m)
I (-256m) (+244m)
o 20.01- o 20.0 ~ '!I (+494 m) '!I (-6m) • • r--~ ~ c
c (+744 m) 10.0 ~
(+244m) 10.0
I
(+994m) (+494m) i
0.0 0.0. o 10 20 30 40 50 60 o 10 20 30 40 50 60
tempo (s) tempo (s)
40.0 40.0
Re (água)= 10000 Re (água)= 10000 vazão ar= 1,7Vmin vazao ar= 1,7 Vmin vazamento =50% (a 250m) vazamento= 50% (a 750 m)
30.0 L.. 30.0
~ y(m) ! y{m)
(-256m)
o 20.0 (+244m) o 20.0 ;_ '!I ~ • (+494m) ! ~
~ ~ ~ (-6m) ;"'rTt"'''r'nj'TT
10.0 (+744 m)
10.0 (+244m) ! i
(+994m) (+494 m) !
0.0 0.0' 10 20 30 40 50 60 o 10 20 30 40 50 60
tempo (s) tempo (s)
Figura 4.12. Transientes de pressão no transporte de misturas gás-líquido
40.0
Re (água) = 10000 vazão ar= 8,6 Umin vazamento= 50 % (a 250 m)
30.0 y(m)
(+244m)
Re (água)= 10000 vazão ar= 8,6 1/min vazamento = SO % (a 750 m)
57
I :9 (+494 m) !
30.0 t------------_:_Y (m)
(-256m)
o 20.0 ~ o "" "" m m .. m e Q. ~
(+744m)
10.0 ~
• (+994 m)
~~
; Ji 20.0 li- (+744m)
~ r-~----------------~----!1 Q.
10.0 ~
Re (água)= 10000 vazão ar= 19 Vmin vazamento = 50 % (a 250m}
(+994 m) i ~~
0.0 L' ~-'-~~---~~~----~-J o 10 w 30 40 30 30
tempo (s)
f------------~(+244m) 10.0:...
40.0,, --------------~
30.0 ~
10.0 ~ Re (água)= 10000 vazão ar= 19llmin vazamento= 50% (a 750 m)
y(m)
(-256m)
(+244m)
r (+494 m) !
r-,.~--./"''"VJ'..-.- I
0.0 .'-~~--:':--~--'----.-J o 10 w 30 40 30 30
tempo (s)
Figura 4.13. Transientes de pressão no transporte de misturas gás-líquido
A partir das Figura 4.12 e 4.13 observa-se que a ocorrência de vazamento foi
detectada somente pelos transdutores mais próximos do vazamento, e para porcentagens de
vazamento acima de 30% da vazão nominal de líquido.
Observa-se também, que a sensibilidade de detecção do vazamento, pelo transdutor 1
por exemplo, é maior no caso da configuração 1 (vazamento a 250 m) do que na
configuração 2 (vazamento a 750 m). Em ambas as configurações, este transdutor está
praticamente à mesma distância do vazamento, no entanto a detecção é melhor percebida
58
quando o transdutor está a 244 m a jusante, do que a 256 m a montante do vazamento. Esta
observação leva a crer que existe maior dificuldade de propagação da onda de pressão no
sentido contrário ao fluxo da mistura gás-líquido na tubulação.
Desde que a velocidade da onda de pressão é uma variável fundamental para a
localização da posição do vazamento na tubulação, esta também foi medida para as várias
condições de operação na tubulação, a partir dos tempos de detecção e das distâncias
conhecidas entre transdutores e vazamento. A Tabela 4.7 mostra os valores medidos da
velocidade da onda de pressão.
Tabela 4.7. Velocidade de propagação da onda de pressão
R e Qar (1/min) vazamento (%) y(m) * v(m/s)
10000 1, 7 50 (+) 244 76
10000 1, 7 50 (-) 256 56
10000 8,6 50 (+) 244 60
10000 1,7 30 (+) 244 57
10000 1,7 30 (-) 6 43
* (-) a montante e ( +) a jusante, do vazamento
Os dados na Tabela 4. 7 confirmam que a velocidade da onda é menor quando a
propagação se dá no sentido contrário ao fluxo. A onda de pressão também se propaga
numa mistura gás-líquido a uma velocidade cerca de 9 vezes menor do que aquela em uma
tubulação transportando líquido. (490 a 540 m/s), confirmando que a presença do gás na
tubulação amortece o efeito da onda de pressão.
59
5- CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Como parte de um projeto de desenvolvimento de técnicas de detecção e localização
de vazamentos em tubulações, o presente trabalho consistiu em detectar e analisar, por
computador "on-line", transientes de pressão causados por vazamento em uma tubulação de
PVC de 1250 m de comprimento, operando com líquido e com misturas gás-líquido.
O equipamento de detecção se constituiu de 04 transdutores de pressão instalados ao
longo da tubulação e acoplados a um microcomputador PC contendo uma placa ADA. Os
resultados experimentais foram obtidos para uma ampla faixa de condições operacionais (Re
= 2000 a 12000, porcentagens de vazamento entre 2 e 50% da vazão de líquido), para os
casos em que o fluido transportado era: (1) um líquido (água); (2) urna mistura ar-água, com
várias condições de injeção da fase gasosa na tubulação: (a) injeção de bolhas isoladas, e (b)
injeção de múltiplas bolhas, sem ocorrência de vazamento na tubulação; (c) injeção de
bolhas isoladas, com vazamento; (d) fluxo continuo da mistura ar-água, com ocorrência de
vazamento.
5.1 - Conclusões
A partir de um estudo detalhado da técnica de detecção de vazamentos em uma
tubulação transportando líquido (água), verifica-se que a técnica desenvolvida detecta
prontamente vazamentos da ordem de 1 O %, para Re na faixa de escoamento laminar, e
vazamentos de 2% paraRe na faixa de escoamento turbulento (Figura 5.1).
Determinou-se para cada experimento o valor máximo (dPmax) da variação de
pressão observada nos diferentes transdutores, em relação à pressão no estado estacionário
(antes do vazamento).
A queda de pressão observada nos transdutores mais próximos da entrada da
tubulação, ou seja mais próximos da bomba, é menor do que aquela à saída da tubulação.
60
Isto ocorre devido a aceleração da bomba, quando ocorre o vazamento, compensando a
redução na pressão (Figura 5.2.).
1o.o~. -------------~
8.0 ~
i 1 6.01
t 40~
Re"' 2000 vaz.= 11% (250m)
20 ----.. -- -
y(m)
T1 {+244)
T2 (+494)
T3 (+744)
T4 (+99-4)
,...==---- ---~--- -::::....-=-=----
o.o L• ---'---'---'--~---' 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0
tempo (s)
15.0~----------~,-=tm""l''l Re= eooo vaz.= 2,5% (750 m)
T1 (-256) ,
r 10.0 r T3(+244) i .
:2) • T4{+494) !
f 5.0 ~ -------- --../" "-....-- ._.../ .
!! r "-----. o. ·-·----.......-----
0.5 1.0 1.5 2.5 "'mpo(s)
Figura 5 .1. Mínimo vazamento detectado
~--------------
200
~ 150
~ E o. ~ 100
Re = 12000 vazamento a 250 m
vaz. {%)
+ o X o
50
30
10
5
soe
aLt ~~~~~~~-~-~-=-=·~:~ o 200 400 600 &JO 1 000 1200 1400 posiça:o do transdutor (m)
~---------------------Re = 12000 vazamento a 750 m
200 - !eak (%)
50
- 1so_r + é ~
* 10 ~ E o.
/ I +
/ I
"'C 100- b.
~;~--------,.... 8 : ~~~~~: o 200 400 600 800 1000 1200 1400
posiçao do transdutor (m)
Figura 5.2. Máxima queda de pressão na tubulação (dPmax) (Re=l2000)
Processando-se os sinais enviados pelos diversos transdutores determinou-se a
velocidade de propagação da onda de pressão ao longo da tubulação, cujos valores ficaram
na faixa entre 490 a 540 mls. A velocidade da onda mostrou--se praticamente independente
do número de Reynolds, bem como da magnitude e da posição do vazamento.
61
Estudou-se o efeito causado pela injeção de bolhas isoladas de ar, sobre no perfil de
pressão ao longo da tubulação, sem a ocorrência de vazamento. Para uma dada vazão de
líquido, ou seja para um número de Reynolds (Re) fixo, foram injetadas bolhas isoladas,
através da abertura de uma válvula solenóide, interfaceada ao microcomputador por meio da
placaADA.
Os pulsos de pressão observados (Figura 5.3) indicaram a passagem da onda de
choque pelos vários transdutores. A presença da bolha não alterou o valor da pressão ao
longo da tubulação, do mesmo modo que não houve alteração nos perfis de pressão, devido
a passagem da bolha pelos transdutores.
~
<O-_-;;:.,:;;;..,;;;,;----------, .., Pre$$10 ar 4 kgfcm2 -; lnleilo 2,5 s
o 20--i
1 J ~ ] Trw=L1
•H+-----~-,~fM'lSII.2
+-!-------"""',:Transd:: 400 000 121JV ...
Tefll)()(S)
'"...,~-:.::c,.=,,-------i ~at~an2
-; lnjeçlo10s
400 000 12:)0 Tempt~ (s)
""'"" Presslloar4kgf/l:nl2 l~o2,5s
T-.1 '---------!0~ Tflm:lot.2 ,.._.... _____ _.::::
---------"'rr.t=d.3 T..-:1,4 !
•oo aoo Tempo(s)
(a) tempo de injeção, ti= 2,5 s
400 1:00 1:.00 '" Tempo(s)
(b) tempo de injeção, ti = I O s
.o-,-----------,
+---------:"":=nsd.J ! TIWI:Id.4 ,
' ' 400 aou t~ tOOC ~oo
Tempo(s)
Figura 5.3. Injeção de bolhas isoladas de ar (Re = 8000)
62
Estudou-se também o efeito da injeção de múltiplas bolhas, sobre o perfil de pressão.
Ar foi injetado durante 2,5 segundos na tubulação em intervalos regulares de 1 O segundos.
Os pulsos de pressão na Figura 5.4 indicam a passagem pelos transdutores, das sucessivas
ondas de pressão ocasionadas pela entrada das bolhas na tubulação. Com o passar do tempo
o sistema tende a entrar novamente em regime permanente, sendo que este novo estado de
equilibrio é caracterizado por urna pressão maior do que aquela no estado inicial.
~,~~~------------~ l ReSOOO
Par 4 kgf/c:m2
o 200 ""' Tempo (s)
a ! o
'!i ~ a.
~~------------------------, ! Re 8000
l Par 4 kgflcm2
30~
i J
:!0~
-~
10 -f j j
o o 100 200 300
Tempo (s)
Transd. 1
Transct 2
Transd 3
Transd. 4
Figura 5.4. Injeção de múltiplas bolhas (Re = 8000)
A sensibilidade do sistema de detecção de vazamentos foi testada na presença de
uma bolha de ar injetada na tubulação. Os resultados obtidos mostraram que com a
ocorrência de vazamento, a pressão sofre urna brusca redução, mas seu valor não se
recupera (Figura 5.5) como no caso em que não existe gás na tubulação (Figura 5.6)).
Os valores da velocidade da onda de pressão, entre 281 e 472 m/s, mostram que a
presença de ar na tubulação absorve parte do impacto da onda de choque causada pelo
vazamento.
~ o ~ ~
40 IRe 10000
"'1 Vz. SO"A> ~POSição do Vazamento 250 m ~ 10 s de injeção de ar
30~
" ~ ,._.4
' ~
10 __j J
I "
"" ~.-ansd 1 ,___---~· ~ransd.2
"'~ransd.3! Transd. 4 i
o o 20 " "' Tempo (s)
~
<0-----------------------------Re 10000
50% Posiçao do Vazamento 250 m 20 s de injeção de ar
I ,. -f------, 10~ ----~T"'ransd. 1
-~! --------'-'-------~~~~~~~5T"'ransd. 2 j Transd. 3 Transd. 4
o -l=;:::::;::::;:::::;:::;:==::::::::=~ o "'
., Tempo (s)
63
Figura 5.5. Transiente de pressão para o caso de injeção de bolha isolada, com vazamento
25.0 ----------------------------~
20.0:..
15.0: \ . '
' ~ \
Re=10000 vaz. =50% (250m)
y(m)
n (+244) 1
T2 (+494) l T3 (+744) i T4 (+994) i
o 10.0 ,L.. \
l ~
o.o r c
,\ _/ ---v~--v [
-5.0 L---~----~---~~-----0.0 2.0 4.0
tempo (s) 6.0 8.0
25.0 ~---------------------------,
Re = 10000 Y (m)
r vaz. =50% (750 m) T1 (-256) :
20.0 t T2 (-6) !
r-------'·. T3 (+244) j
15.0~ \ T4(+494)!
i \.._________ - _i - -----------~ 10.0:\
c. 5.0
0.0;.. -- ~-:::· ...... _-_-__ ,_
0.5 1.0 1.5 tempo (s)
Figura 5.6 Transiente de pressão causado por vazamento, em tubulação transportando
líquido
A sensibilidade da detecção de vazamento de um líquido (água) também foi testada na
presença de ar escoando continuamente pela tubulação. A ocorrência de vazamento foi
detectada somente pelos transdutores mais próximos do vazamento, e para porcentagens de
vazamento acima de 30 % da vazão nominal de líquido (Figura 5.7). Os transientes de
pressão mostram que o gás escoando na tubulação absorve grande parte do impacto causado
pela onda de pressão, quando da ocorrência de vazamento.
64
40.0,--------------,
~ Re (água)= 10000 · vazaoar= 1,71/min ~ vazamento= 10% (a 250m)
30.0;...
y(m)
40.0,,--------------,
~ ,-----------=[+_:244m)
o 20.0
I (+494 m)
~--------------
10.0 ~ Re (água)= 10000 vazao ar= 19 1/min
{+244m) 10_0 f-' _________ _c.<+_744m)
~ vazamento= 50% (a 750 m)
(+994m)
~------~----~ L (+494 m) ~~~~·
0.0 '---~--'----~-~-----' 0.0'-' -~-~----'--~-~--" O w B ~ 40 ~ 00 o 10 20 30 40
tempo (s) tempo (s)
(a) (b)
Figura 5. 7 Transiente de pressão causado por vazamento, em tubulação transportando mistura ar-água
50 60
A velocidade de propagação da onda de pressão foi medida para diversas condições de
fluxo. Os valores medidos variaram entre 43 e 76 m/s, cerca de 9 vezes menor do que aquele
medido em uma tubulação transportando líquidos. Os resultados obtidos mostraram que o
gás escoando na tubulação absorve grande parte do impacto causado pela onda de pressão,
quando da ocorrência de vazamento e também que existe maior dificuldade de propagação
da onda de pressão no sentido contrário ao fluxo na tubulação (Tabela 5 .I).
Tabela 5 .1. Velocidade de propagação da onda de pressão em misturas ar-água.
R e vazão de ar vazamento (%) y(m) * v (m/s) (1/min)
10000 1,7 50 (+) 244 76
10000 1,7 50 (-) 256 56
10000 8,6 50 (+) 244 60
10000 1,7 30 (+) 244 57
10000 1,7 30 (-) 6 43
*(-)a montante e(+) a jusante, do vazamento
65
5.2 -Sugestões para Trabalhos Futuros
De modo a dar prosseguimento a este trabalho, sugere-se:
• Aplicar a técnica de detecção e localização de vazamentos a uma tubulação
transportando I) fluidos não-newtonianos; 2) duas ou mais fases líquidas; 3) líquido
contendo suspensões sólidas.
• Testar a técnica de detecção no caso de ocorrência de dois ou mais vazamentos
ocorrendo simultaneamente.
• Estudar a aplicação da técnica a uma tubulação transportando gases.
66
APÊNDICE 1 - CURVAS DE CALffiRAÇÃO: MEDIDOR DE ORIFÍCIO
EROTÃMETRO
A curva de calibração do medidor de orifício utilizado na montagem experimental
para medir a vazão de líquido na tubulação é mostrada na Figura Al.l.
O rotãmetro utilizado na montagem experimental para medir a vazão de ar é
fabricado por Gümont Instruments, Inc., tendo número de série 005701 - 005800. A
curva de calibração do rotãmetro é mostrada na Figura Al.2.
15.0 r--------------,
i 10.0
"'
0.0 •c.._.. __ -::':c-~~~----' 0.0 5.0 10.0 15.0
altura manométrica (em Hg)
~ ê 15 ;; ~ ., o ., ~ >
30.0
25.0
20.0
15.0
10.0
5.0 ~
0.0"--~~~~~-~~-'----'
o 10 20 so 40 50 eo 70 ao oo 100 escala
Figura AI. I. Calibração do medidor de orifício Figura Al.2. Calibração do rotâmetro de ar
Correção da vazão de ar
A vazão de ar foi corrigida, em termos da temperatura e da pressão de operação, de
acordo com a seguinte equação:-
onde, P = pressão absoluta do ar, mm Hg
Q0ar= vazão de ar, nas condições padrão (P = latm; T = 70 "F)
Qar =vazão de ar, corrigida (Vmin)
T = temperatura absoluta, em "R = "F + 460
{Al.l)
APÊNDICE 2 - TRANSIENTES DE PRESSÃO EM TUBULAÇÕES
TRANSPORTANDO LÍQUIDO
67
Neste Apêndice são apresentados transientes de pressão gerados pela ocorrência de
um vazamento em uma tubulação transportando líquido (água).
10.0 10.0
Re= 2000 y(m) Re= 2000 y(m) vaz:.= 2,5% {250 m) vaz.= 11% (250m)
T1 (+244) T1 (+244) 8.0 8.0
T2 (+494) T2 (+494)
T3 (+744) T3(+744)
:9 6.0 T4(+994) :9 6.0 T4(+994) .. .e. .a
o o ... "' .. .. .. .. I!! 4.0 I!! 4.0 i-Q. Q.
2.o-r- -- -- 2.0 f- ---- -~---~---~ !:.::....::.._- _- --- ..,_ ::::-=--~ ......-:::-- = :::;;...=.. --- .
0.0 0.0 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0
tempo (s) tempo (s)
10.0: 10.0
Re=2000 y(m) Re=2000 y(m)
vaz.= 31 %{250m) vaz.= 49% (250m) T1 (+244) Ti (+244)
8.0 T2 (+494)
8.0 f- T2 (+494)
T3(+744) T3(+744)
I T4(+994) :91 T4(+994) 6.0 .. 6.0 f-
.a o o ... "' .. .. .. .. I!! 4.0 i- I!! 4.0 ~ Q. Q.
h '-o ~
.~, ~ 2.0 1- - 20~-~~ /--~--. --
L '-~--! -
0.0 0.0 i 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0
tempo (s) tempo (s)
Figura A2.1. Transientes de pressão (Re = 2000; vazamento a 250m)
68
:9 ~ o ... "' '" e o.
§ '" .s o ... '" m e o.
10.0
Re=2000 y(m} vaz.= 2% (750 m)
8.0 í-T1 (~256)
T2 (-6)
i T3 (+244)
60 ~ T4 (+494)
4.o r
r---2.0 )-
;::::......:=..--- -=------ -.....::...-- ---..::;;- =-=--..::-.
0.0 ':-'-~-"-:"~~'"":':-~~:'::-'-~--'-:"~~~ 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
tempo (s)
10.0 "· ---------------
Re=2000 vaz.= 10% (750 m}
8.0
6.0
4.0 i-
2.0 p.._.._.
0.0; 0.0 0.5 1.0 1.5
tempo (s)
10.0.
Re=2000 vaz.= 48% (750 m)
8.0 c
6.0 ~
I
40[
y(m)
T1 (-256)
T2(-6)
T3 (+244)
T4(+494)
2.0
y(m)
T1 (-256)
T2 (.f))
T3(+244)
T4 (+494)
2.0~\ ~
2.5
r\,-~ =-: ~~-- / '>---~"-" 0.0 c_l --:':-'-~~~~"-'=--c:"-~~
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 tempo (s)
§ m .s o ... m m e o.
10.0 ~-----------------.,
80~ c
6.0 ~
4.0 i-
Re=2000 vaz.=4,5% (750m)
y(m)
T1 (-256}
T2(-6)
T3(+244)
T4 (+494)
2.0 ~ -- --- -- ----
p--- ~-- --- --= =--- ~
' 0.0 ~~ ~~"-::'::-"--~--:~~~:-'::-~~-:"::~~-'-::'
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 tempo (s)
10.0:-. -------------,
r a.o r
6.0 ~
4.0 r
Re=2000 vaz.= 29% (750 m)
y(m)
T1 (-256}
T2(-6)
T3(+244)
T4 (+494)
~
2oc~ :-- - --- "!:.....:::' =.--::::::::-- ---==::.- ~-
-------- /
I 0.0 c_._~-::-':,--~-:-'::-~~~~~~~":" 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
tempo (s)
Figura A2.2. Transientes de pressão (Re = 2000; vazamento a 750 m)
15.0----------------,
Re= 4000 ~ vaz:= 2,5 % (250 m)
1o.a r
y (m)
T1 (+244)
T2 (+494)
T3 (+744)
T4 (+994)
5.0 t:-- -----~ -- --- -l-_- -:....::_- ~:::_:. -_- =-=-- ::-- -_-. '
0.0 r
-5.0 '-"-~~~~~~~~~~"-'-~~_j 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0
tempo (s)
15.0,--------------,
10.0 ,_
5.0 ~
Re= 4000 vaz.= 10% (250m)
y(m)
T1 (+244)
T2 {+494)
T3 (+744)
T4 (+994)
~ ------- -- --- -t_ _____ _
"------------· 0.0
-5.0 L' ~~-'-~~~~~-'-'-~~~~_j 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.
tempo (s)
15.0---------------
Re= 4000 y(m) vaz.= 48% (250m)
T1 (+244)
10.0 f- T2 (+494)
T3 (+744)
T4(+994)
5.0~
69
15.0 ;--------------~
10.0
5.0 '-
Re=4000 vaz.= 5% {250m)
y(m)
T1 (+244)
T2 (+494)
T3(+744)
T4 (+994)
"'--~ -- ----,_ _____ _ ..._ ________ _
0.0 r-
-5.0' 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0
tempo (s)
15.0
Re=4000 y(m) vaz.= 32% (250m)
T1 (+244)
10.0 T2 (+494)
T3(+744)
T4(+994)
5.0 ;:----\ -.--.
'-----'--~
0.0
5.
Figura A2.3. Transientes de pressão (Re = 4000; vazamento a 250m)
70
~ o
I
15.0 ~----------------,
r 1o.o r r
Re= 4000 vaz.= 2,5% (750 m)
y(rn)
T1 (~256)
T2 (-6)
T3 (+244}
T4 (+494)
5.0 ~r--~---------
r=-~-~-~-~--r----------0.0 ~
1.0 1.5 tempo (s)
15.0 ~--------------,
10.0 r-
t
Re=4000 vaz..= 9,5% (750 m)
y(m)
T1 (-256)
T2 (-6)
T3 (+244)
T4 {+494)
5.0 !~;----~--_-=-_'-_ -_ -_-_=. __ -_=-__ -_-__ -_-_ ----E----~-----·
0.0 ~
-5.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
tempo (s)
15.0 L
Re=4000 y(m) vaz.= 48% (750 m)
T1 (-256)
1a.a r T2(-6)
T3(+244)
T4 (+494)
2.5
·5.0 '-' -~~~-'--~~~~-'---_._j 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
tempo (s)
1s.o ,r
Re= 4000 ~ vaz.=5% (750 m)
I 100 t
y(m)
T1 (-256)
T2 (..e)
T3 (+244)
T4{+494)
I t 5.0 f:"r --'-----------
I o ... :g I!! Q.
ê~- _---:-- - -_ =--::-::-:: -------------~-----
0.0 ~
-5.0 i
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 tempo (s)
15.0
Re=4000 y(m)
vaz.= 29% (750 m) T1 (-256)
10.0 T2 (-ti)
T3(+244)
T4(+494)
~-..-<:--~'--'-- ~ ~---~-~--=---:r----
0.0 t
2.5
-5.0 L..-~-~--~~~~~--" 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
tempo (s)
Figura A2.4. Transientes de pressão (Re = 4000; vazamento a 750 m)
15.0 rr-R-e=---6000------------:yc;(m=);-;
'~ vaz.= 2,5% (250m) T1 (+244)
! T2 (+494)
1o.a r T3 (+744)
~ T4{+994)
~--~----------
~------
"-------------·
-5.0. 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0
tempo (s)
15.0 Re= 6000 y(m) vaz.= 9% (250m)
T1 (+244)
T2 {+494)
10.0 l T3(+744)
~ T4 (+994)
r--~.
5.0~---- ~- ~- -----
t- -~-----0.0 ~
-5.0 L' ~-~--~----.,~-~-c-~-::-0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0
tempo (s) 15.0 '[ _____________ _
Re=6000 y(m) vaz.= 50% (250 m)
T1 (+244)
10.0 !- T2 (+494)
T3(+744)
T4 (+994) ~l
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5.0 ~ l '. LI, ~ r---~ ~---
o. o
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-5.0 c_· ~-~-~--~--~--0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0
tempo (s)
71
15.0 r.---------------
t 100 ~
Re= &lOO vaz.= 5% (2&1 m)
y(m)
T1 (+244)
T2 (+494)
T3 (+744)
T4{+994)
5.0 ~ ~ ---......_ -- --- -r------, ___________ _ r-----~-----
0.0 i-
-5.0 L-~-:-"::--~-:"::----:c':---:':----:: 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0
tempo (s)
15.0 r--------------~
1o.a r
Re= 6000 vaz.=30%(250m)
y(m)
T1 (+244)
T2 (+494)
-5.0 L' ---,---'---~----'--~ 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0
tempo (s)
Figura A2.5. Transientes de pressão (Re = 6000; vazamento a 250m)
72
:9 ~ o .. .. .. e Q.
15.0 ,---------------:-:y-;:(m::;):--, Re= 6000 vaz.= 2,5% (750 m) T1 (~2S6)
T2(-6)
10.0 i- T3 (+244)
r--~,~--..__~~---==-_;_~T4 (+494)
--' ;-----~-----,
0.0 ~
1.0 1.5 tempo (s)
2.5
15.0 ,,.--------------~ RF6000 vaz.= 10% (750 m)
y(m}
T1 (-256)
T2(-6) 1o.o 1 r --- T3(+244)
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5.0 f"'-- ---~ - - -.. ---- ----~ ,_-c
~- ---------------' o.o !r '
-5.0. o. o 0.5 1.0 1.5 2.0
tempo (s)
15.0 RF6000 y(m) vaz.= 50% (750 m}
T'! (..256)
T2 (-6) 10.0
T3 (+244)
T4(+494)
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---- -~ ---- --- -.- - \ - --o. o
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2.5
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15.0 ,---------------,y-o(c::m:c)-, RF6000
10.0 i-
~
vaz.=5,5%(750m) T1 (-256)
T2(-6)
T3 (+244)
T4(+494)
!~ r 5.0'
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0.0 ~
t -5.0 L' -~~-~:'-:-~--"-::-"-~-'-------:'
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 tempo (s)
15.0 r.--------------
~ Re= 6000 vaz.= 29% {750 m)
10.0 i-
5.0 !~\ r-~
--. , ___ '.!--_.,..' 0.0\-
y(m)
T1 (*:256)
T2 (-6)
T3 (+244)
T4 (+494)
-5.0 '-------'-'---'--'----~_,_j 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
tempo (s)
Figura A2.6. Transientes de pressão (Re = 6000; vazamento a 750 m)
20.0,-------------------,
Re= 8000 vaz. = 2,5% (250m)
15.0\-
--------
y(m)
T1 (+244)
T2 (+494)
T3 (+744)
T4 (+994)
5.0'" - - - - -- -- - - - - - --- -- -
'
~ 0.0 ''-'-~~':"--~-'-::',-.~"":':~~~~~-="
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 tempo (s)
20.0 ,-------------------, Re= 8CXlO y(m)
vaz. = 10% (250 m)
15.0
' ãi f-·- 10.0. ! '
T1 (+244)
T2 {+494)
T3(+744)
T4 (+994)
i I!! Q.
s.o L - - - - - ....... ____ . ----------~
_,--00 ~
-5.0 f-' --~-------------1 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 50
tempo (s)
20.0 -,-----------------, Re= 8CXXl vaz.= 50% (250m)
15.0
ô 10.0 -i \ ! ~---1--,
0.0 1.0 2.0 3.0 tempo (s)
y(m)
Ti (+244)
T2 (+494)
T3{+744)
T4(+994)
4.0 5.0
t
20.0 ,--------------,--,=-----' y(m)
Re= 8000 vaz. = 5,5% (250m)
15.0 t ~
5.0 ~ - - - - - - '-
r-0.0 r
T1 (+244)
T2 (+494)
T3 (+744)
T4 (+994)
73
-5.0 ''c'-~"-':~~c:":-~~':-'~~~~-,: 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0
tempo (s)
20.0 ,,----------------
r Re=8000 , vaz. = 30% (250m)
15.0 ~
y(m}
T1 (+244)
T2 (+494)
T3 (+744)
T4 (+994) ~Q.~ 10.0:-
-r-~ 5.0 ~,---- /---/ t
\ '--~ ~-
-~--- ----0.0 ~
-5.0 '--~~~~~~~~~~-~~ 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0
tempo (s)
Figura A2. 7. Transientes de pressão (Re = 8000; vazamento a 250 m)
74
20.0 r.-----------------, Re= 8000
~ vaz. = 2% (750 m)
1s.o r
y(m)
T1 (-256)
T2(-6)
l'olt s.or---- _- __ _
T3 (+244)
T4 (+494)
-.- -----------0.0 ~
~ -5.o Lr ~~~~-'--'---~~~~--'--~
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 tempo (s)
20.0 ', -:R:-e-=-=aooo==------------:,:-:(;;;m;;c)~ vaz. = 10% (750 m) r r1 (-256) i
1U~ TI~ T3(+244)
T4 +494)
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I 5.0~-------------~------,_
- ~ -------
-5.0 ':-" ~~:.-'::-"~~.,--~"'"":'-::-~:.-'::-"-~ 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
tempo (s)
20.0,-----------------Re =8000 vaz. =50% (750 m)
y(m)
15.0 ~
â 10.0 ~ ! h ~\ o
T1 (-256)
TI(-S)
T3(+244)
T4 (+494)
I 5.0~.---~ ~ I ............... :-.......-.__ __
-/~--• . -.- ~ -- -.
0.0 ·---.t:.. ____ j
-5.0 C-------------------, 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
tempo (s)
20.0 -f
I Re=BOOO
1
5.0 ~ vaz. = 5% (750 m)
t
y(m)
T1 (-256)
T2 (.-6)
- T3 (+244)
T4(+494) [
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5.0~--------------------·-- -~-------
0.0 c
[ -5.0 L' ~~---,~~~-~.L:-"--~~~
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 tempo (s)
20.0,--------------
15.0 ~
0.0
Re = 8<XlO vaz. = 30% (750 m)
y(m)
T1 (-256)
T2 (--6)
T3(+244)
T4 (+494)
--------- -- ____/
-5.0 L• -~--'-~--'---"~-~~-~~--'---' 0.0 0.5 tO 1.5 2.0 2.5
tempo (s)
Figura A2.8. Transientes de pressão (Re = 8000; vazamento a 750 m)
25.0 ~---------------Re= 10tXl0 vaz. = 2 % (250m)
20.0
y(m)
T1 (+244)
T2 (+494)
r---------------------~~~~T3~744) 15.0 f- T4(+994)
r-oi 10.0 r : t
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! 5.0r--- ..... ____________ _ ~---------·
0.0 t
-5.0 L...~~'-::':,--'-~~c':---~---'~~~ 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0
tempo (s)
25.0 ~--------------,
200 f
15.0:-
Re = 1CXlOO vaz. = 10% (250m)
y(m}
T1 (+244)
T2 (+494)
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r--------/---------,g 10.0 ~
~~ ~ ~ -- --- -5.0 f-
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25.0 ;----------------,
t 20.0 f-
0.0 f-
Re= 10000 vaz. =50% (250 m)
--\.<:>../--v
y(m) i
T1 (+244) I
:~:::I T4 (+994) I
:
-5.0 ~~~--c':c~~~~-~'---:-"c:-'-~---"--:' 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0
tempo (s)
25.0 -::--------------::=---, Re = 10000 Y (m)
• vaz.=5%(250m) T1 (+244)
20.0 ~ T2 (+494)
~~---------./------'==----'Tc;3 (+744)
115.0 ~ --- - - - - / - - - - - -=-- -:4 (+994)
g 10.0 ;
~
50 r [
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75
0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 tempo (s)
25.0---::-------------
t Re = 10CXXJ vaz. = 30% (250m)
20.0 f-' ~
" ! 15.o r : :9 L' .s ~ --o 10.0!--
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0.0 ~ --v-------
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T1 (+244) i
T2 (+494)
T3(+744)
T4(+994)
-5.0 L...-~--'---~-'-~--"-~~~ 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0
tempo (s)
Figura A2.9. Transientes de pressão (Re = 10000; vazamento a 250m)
76
25.0 ,, ------------=y(m) Re= 10000
vaz.= 2% (750 m)
20.0 ~ T1 (~256)
T2(-<l)
T3 (+244)
15.0 ~"---~-------'=:_~T~4lj(+~494~)
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5.0 ~ - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
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-5.0 L· ~~:-'::-'-~--'--"~~~~~-'--~._.___] 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
tempo (s)
25.0r. -------------r Re=10000 y(m) ~ vaz.= 10% (750 m}
t T1 (·256) 'i
~~ T2~ c----,
T3(+244)j
i 150~ o 10.0:
T4 (+494}i !
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-5.0 ':-~-'-::'~~~--~~-~~~ 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
tempo (s)
2s.o r1-----------------
r Re = 10000 Y (m) vaz.=50%(750m) i
T1 (-256)
1
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0.0 c
1.0 1.5 tempo (s)
2.0
T2(..S)
T3(+244)i
T4(+494)i
2.5
25.0--------------
20.0
' 15.0;...
Re= 10000 vaz.= 5% (750 m)
-----
y(m)
T1 {·256)
T2(--6)
T3 (+244)
T4 (+494)
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[ -5.0 ':-' ~-'-:"::-~~':-"-~-~-~:::::~-"-;'
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 tempo (s)
~ li
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---- ~
-5.0 ':-~-~~~-~-':-"-~--,",.-.--:" 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
tempo (s)
Figura A2.10. Transientes de pressão (Re = 10000; vazamento a 750 m)
30.0 ~----------------, Re=í2000 y(m) vaz.= 2,5% (2&> m)
25.0 : T1 (+244)
~ T2 (+494)
20.0 f- T3 (+744) I
:gi ~ - _ - -- _ _ -- _ .T4 (+994) ,
8 1s.o r ,g i 10.0 ~ - - - - - - - - - - - - - - - - -
i 5.0 c
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0.0 ~
-5.0 '-'-~~~~~~~~~c':-"~~-:' 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0
tempo (s)
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y(m) Re= 12000
25.0 L ' vaz.= 10% (250m) T1 (+244) r .
- - """ - -- - - - - - - :.::__.:: -- -T2 (+494)
20.0 t -- T3(+744)
, ~- T4(+994) :9 ! 150 f '- - -../ - - ---
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5.0 c
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-5.0 C.• ~~-'-:~~~~~~~-,':--~~~
0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 tempo (s)
30.0 i Re= 12000 vaz.= 50% (250m)
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y(m)
T1 (+244)
T2 (+494)
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tempo (s)
77
~.o,,------------------------------~
[ Re= 12000 y(m)
25t~:5:_250:_ 20.0 ~
T1 (+244)
T2 (+494)
T3(+744)
' § ~ -- T4(+994)
á 15.0f -- ~ --
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0.0 r-
2.0 4.0 tempo (s)
6.0 8.0
30.0 ,------------------------------:
~ Re= 12000 y(m) L vaz.= 30% (250m)
2s.o r\ r1 (+244)
~ '\ T2 (+494)
20.0 r \ - - - T3 {+744)
:9i ~~ - T4(+994)
8 15.0 r- \
5.0 i-' '
00~- -
f
\ '-- ----------J
--------
2.0 4.0 6.0 tempo (s)
Figura A2.11. Transientes de pressão (Re = 12000; vazamento a 250m)
78
30.0,----------------, Re= 12000 vaz.= 2,5% (150m)
25.0 r--"'-------== ' 20.0 i-
~ h S. 15.0 ~'--- -- -- --~ o ~ .., ' l 10.0 ~ - - - - - -- - - - - - -- - - -
- - --......- - - --- -
y{m)
T1 (~256)
T2(-6)
T3(+244}
T4 (+494)
-5.0 '--~---'----~-'-----.J 0.0 1.0 2.0 3.0
tempo (s)
30.0 't--------------, ~ Re= 12000
25_0
, vaz.=10%(750m) Y(m)
' 2o.o r
i 15.0~
T1 (·256)
T2(...e)
T3 (+244)
T4(1-494) -- .___/'-
o .., l 10.0 ~- - - -.
5.0 ~ -------
,-----------------0.0 r
-5.0 '::-'-~-'::'::~~:'::-'-~-"-:":~-~-~-0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
tempo (s)
30.0,------------~
~ :::: ~~ (750 m) 25.0~ r ,
f 2o.o r '
:9 n ~a 1s.a H ~ ~·
i ~\ ! 10.0~\-~ "- r
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y(m)
T1 (·256)
T2(-<l)
T3 (+244)
T4(+494)
-5.0 :-----:"::---"~---:-':----------:' 0.0 1.0 2.0 3.0
tempo (s)
30.0---------------
25.0
Re= 12000 vaz.= 5% (750 m) y(m)
~--------- T1 (-256)
20.0' T2 (-6)
T3(+244)
i 15.o~L i ' 10.0;..
~----. T4(+494)
---./
i!! Q.
r 5.0 i-
o.o r r
_____ __.,.---
-5.0 '------'-----'------0.0 1.0 2.0 3.0
tempo (s)
30.0 r.---------------, [ Re= 12000 ~ vaz.= 30% {750 m)
25.0~--
20.0 ~
9 n .á 15.0 ~\
Ji ~ 0 ............__ I 10.0 f __ _ 5.0 ~
~ r- -
a.a r \ _______ !
1.0 2.0 tempo (s)
y(m)
T1 (·256)
T2(.S)
T3 (+244)
T4(+494)
3.0
Figura A2.12. Transientes de pressão (Re = 12000; vazamento a 750 m)
79
APÊNDICE 3 - INJEÇÃO DE BOLHAS ISOLADAS DE AR, SEM VAZAMENTO
Neste Apêndice são apresentados todos os experimentos realizados para o caso da
injeção de bolhas isoladas na tubulação, sem a ocorrência de vazamento. O software
responsável pela aquisição foi o SCON.C.
40 -;~-::R-e -::12000=,------------, Pressão ar 4 kgf/an2
40 'i::R-e -::12=ooo==-----------i Pressão ar 4 kgf/cm2
Injeção 2,5 s
30 -! ~
~ :,lf.. -------~---T'-"'-"'-· 1_ ! r 30
~Injeção 2,5 s
Transd. 1
O 20 ~ ~ Transd. 2 1 ~'>----------------- Ji 20 --j Transd. 2
~ ~------~~-----------!
10 t~>-----------rra_n_"'_· 3
-1 Transe!. 4 I o ~::::;::::;=;:::::;=:::;=:;=;=;:::::;=:;=;:~
800 Tempo (s)
1200 1600
10
o
Transd. 3
' "
Transd. 4
o 400 800 1200 Tempo (s)
Figura A3.l. Injeção de bolhas isoladas (tempo de injeção= 2,5 s; Re=l2000)
! o .. ~ e a.
40 !Re 10000
,.
"iPressão ar 4 kgf/cm2 ..;Injeção 2,5 s
-' "
Transd. 1 -Hf---.r-co~~
~ Transd. 2
10 ~ ~ Transe!. 3
~-----------------i
o 400 800 Tempo (s)
1200 1600
Figura A3.2. Injeção de bolhas isoladas (tempo de injeção= 2,5 s; Re=lOOOO)
' 1600
80
~-r~-------------------------, i Re8000
l Pressão ar 4 kgflcm2 i lnjeçao 2,5 s c
-;..' +---------~~-T_,._ ..... 1 10 -j Transe!. 2
Transd. 3 +-Jc------------::Tc:-ra.nsd. 4
o .. ''" Tempo (s} ""' "" ~-r---------------------------,
Re8000 _ Pressão ar 4 ~/cm2 -1 lnjeça.o 2,5 s
~ ~~ ! -1 1 20~ Q. ' Transd. 1
Transd. 2
Trartsd. 3 i
~------------~~ Transd. 4 'i
o -h::;:;:::;:::;:::;:::;::;:;:::;::;::;::::;::;::;:=~ o "" '"" Tempo (s) ""'
~-,----------------------------, Re 8000 Pressão ar 4 kgf/cm2 InjeÇão 2,5 s
Transct 1
10 ~ Transd. 2 ,c,---------------------+-------------------~T .. ~nsd.s
Transa. 4
.. . .. Tempo (s) ""
Figura A3.3. Injeção de bolhas isoladas (tempo de injeção= 2,5 s; Re=8000)
~ • .e. o ':1 • ! Q.
~~~~---------------------c
~=4kgflcm2 jlnjeção 2.5 •
' ~~
4 c
~l 10 -j
c
o "" Tempo (s) '""'
T"""- 1
Tr:ul$d.2
Transd. 3
Transd.4
10>0
ã; ... .e. o ... • • !!
Q.
~~~~--------------------, :Re6000 --! Pressao 4 kgflcm2 ~InjeÇãO 2,5 s
30-;
I • ~.J
10 "l
o OlO Tempo (s) '""'
Tr.msd. 1
Transd. 2
Transd. 3 Tr.ansd. 4
10>0
Figura A3.4. Injeção de bolhas isoladas (tempo de injeção= 2,5 s; Re=6000)
"' ] Re2000 ! Pressão ar 4 kgf/cm2 i Injeção 2,5 s
·u o
o 400 800 Tempo (s)
1200 1600
4<)~-------------------------,
J R.e 2000 j Pressão ar 4 kgf/an2 1 Injeção 2,5 s
l ~l
1 i J ~-, .... -1
10 -j
o 800 Tempo (s)
1200 1600
4<)-,----------------------------, i Re2000 i Pressão ar 4 kgf/cm2 !Injeção 2,5 s
'
10 __,
o 800 1200 Tempo (s)
1600 2000
"' R.e 2000 Pressão ar 4 kgf/cm2 Injeção 2,5 s
30--j
g ~ ~
S. o
~l i ~ o.
i
10~ I
j
o o 400 800 1200
Tempo (s)
"' ! R.e 2000 l Pressão ar 4 kgf/cm2 i Injeção 2,5 s ~ ' 30-j
i S. o 20 ....J, ... ~ m ~ o.
' 10 ~
J
' i
o o 400 800 1200
Tempo (s)
Figura A3.5. Injeção de bolhas isoladas (tempo de injeção= 2,5 s; Re=2000)
81
1600
1600
82
40 'iRe 12000
jí Pressao ar 4 kgr/cm2
lnjeçao 10s
30 I ~ ' ii Transd. 1 i li - ~~------------~--------1· ~>--------------T-"-"_""_·_2_ < 1 Transd. 3
10-LJ~' ----------------'
400 "' Tempo (s)
Transd. 4
""' '"'
~-c~Re~,=~==~-----------------, i Pressao ar 4 kgf/cm2 -llnjeçao 10s
,j J Transd. 1
! i 20 ~-f--------~------T-"-""'-_2_ e Q.
1D
4DD "" Tempo (s)
T"""" 3
1200 1600
Figura A3.6. Injeção de bolhas isoladas (tempo de injeção= 10 s; Re=12000)
~~~~-------------------, [Re 10000 l Pressão ar 4 kgftcm2 ~Injeção 10 s
30 ~ l i i I 20~ ,' _____________ T_ .. _-_,
Q. 10~11
1.\._ ____ _...;_T"':_:.::.:"""·2
J _ Transd. 3 , IL--------------C-C 'l
• I Transd. 4 !
D 400 "" Tempo (s) 1200 ""
~-r-~~----------------------:Re 10000
!
~Pressão ar 4 kgf/cm2 -\lnjeçao 10 s
30 -t
~ 20~!'---------------T~m="=""=·' ~ L.
. Transd. 2 1D J '--------------
Transd. 3
Tempo (s)
~~~==---------------------iRe 10000 l Pressão ar 4 lq:Jflcm2 llnjeçao 10 s
- ~! ' o 20-
1 Q.
10-
'"' 800 1200 Tempo (s)
Transd. 1
Transd.2
Transd. 3
Transd. 4
"" '''"
Figura A3.7. Injeção de bolhas isoladas (tempo de injeção= 10 s; Re=10000)
Õl
! o .. !! e 0..
..o-,-----------------,
~ l
J
o
Re 8000 Pressao ar 4kgflcm2 Injeção 10 s
soa Tempo(s)
-i I I r
--Transd. 1 L
Transd. 2
t Transd. 3
Transd. 4 ~ I
1200 ""'
Õl
! o
i! ~
... ~~~------------------~ J Re aooo ! Pressao ar 4 kgf/cm2
--i Injeção 10 s
30~
~
~ "1
~
' Transd. 1 ~
10 -l Transd. 2
~~· --------------------------~Tmn~~~-3
83
o "" Tempo (s) 1200 ""'
Figura A3.8. Injeção de bolhas isoladas (tempo de injeção= 10 s; Re=8000)
..o-------------------------~ Re 6000
· Pressao ar 4 kgf/cm2 ; lnjeçao 10 s
30-j
j :zo-1 i
' j I
10--j
' : i -j' 4
o
o ""' 800 1200 Tempo (s)
Transd. 1
Transd. 2
Transe!. 3 Transd. 4
1600
..o-,-----------------, ~ Re 6000
Pressão ar 4 kgf/cm2 -i Injeção 10 s c
10 -j Transd. 1 ,r,------------------------~~~~
~-2
o~-t~~~~~~~~~~~;:~~T~~~,~~~-~3~ I
o 800 Tempo (s)
1200 1600
Figura A3.9. Injeção de bolhas isoladas (tempo de injeção= 10 s; Re=6000)
84
®,----------------------------,
" ~
! 30 lj'
1 ~~
o o
40
c
1
30---!
'Õl ~ ~ , o .. 20~
8! I!! a.
10-;
J
o o
Re4000 Pressão ar 41<gf/cm2 Injeção 10 s
i
®O 800 1200 Tempo(s)
Re4000 Pressão de ar 4 kgf/cm2 Injeção 10 s
400 800
Tempo (s)
Transd.1 I Transd. 2 Transd. 3 I 'Transd. 4
1600 =
1200 1600
® i Re4000
J Pressão de ar 4 kgf/cm2 Injeção 10s
-l
:2> J "' j a, o 20 ' ... I $ ! I!! a. 1
_,
10-]
J
o o ®O aoo 1200
Tempo (s)
Figura A3.10. Injeção de bolhas isoladas (tempo de injeção= 10 s; Re=4000)
1600
85
40 40 Re 2000
-i Pressão de ar 4 kgf/cm2 c Re 2000 -t - Pressão de ar 4 kgf/cm2
Injeção 10 s - Injeção 10 s
30-j 30~
J ~
i 20l I :ro~
a o j o
~ 10~ ':ll "' /!! /!! 10-
ll. ll.
c l 01 o
l ~ c -i ' • " -10 I -10
o 400 800 1200 1SOO o 400 800 1200 1600 2000
Tempo (s) Tempo (s)
40 40
- Re 2000 I
Re2000 - Pressão de ar 4 kgf/cm2 ! Pressão de ar 4 kgf/cm2
30j Injeção 10 s 30j
Injeção 10 s
1 ' i " :2> ' 20-l 20~
"' a
10 ~ a c
o o ':ll ~ "' I!! !! 10---" ll. a.
~ o o
1 -10 -10
400 800 1200 1600 o 800 1200 1600 2000
Tempo (s) Tempo (s)
Figura A3_1 L Injeção de bolhas isoladas (tempo de injeção= 10 s; Re=2000)
86
APÊNDICE 4- INJEÇÃO DE MÚLTIPLAS BOLHAS, SEM VAZAMENTO
Neste Apêndice são apresentados os dados dos experimentos de injeção de múltiplas
bolhas de ar, sem vazamento provocado.
40 jRe 12000 1 Par 4kgf/cm2
"
o 200 400 Tempo {s)
êi u; .s o "" :g ~
600 OlO
40~~~~--------------------, Re12000 Par 4 kgf/cm2
l 30~ Transd.1
! -i i
20j Transd. 2
~ Transd. 3 10
"
o j Transd. 41
o 100 200 300 Tempo {s)
Figura A4.1. Injeção de múltiplas bolhas de ar (p = 4 kgflcm2; Re=l2000)
40 -:r:R::-e-:8000=:------------------c J Par 4 kgf/cm2
i i
Transd.1
Transd. 2
10
Transd. 4
o~~::;=::===;:::=~=-o
200 "" 600 Tempo {s)
40 j Re8000 Par 4 kgf/cm2
J
i Transd. 1 O 20 I
i ~~~~-----------:!! c.. I Transd. 2
~-~~-------------10 ~
I
o 100 200 300 Tempo {s)
Transd. 3
Transd. 4
500
Figura A4.2. Injeção de múltiplas bolhas de ar (p = 4 kgflcm2; Re=8000)
87
... ... Re4000 Re4000
i Par 4 lqjflcm2 j Par 4 lqjflcm2
30 30~ '
! ! j
o 20 o 20~
~ ' ~ I!! Transd. 1 I!! Transe!. 1 ll. ll.
l Transd. 2 10 10
Transe!. 3
Transd. 4
o o ' o ""'
..., 600 o ""' ""' eoo Tempo (s) Tempo (s)
"' Re4000 Par 4 kgf/cm2
~ 30i '
! 20~ o 'lll .. i I!! Transd. 1 Q.
Transd. 2
10
i Transd. 3
Transd. 4
o
"'' "" 300 ""' 500
Tempo (s)
Figura A4.3. Injeção de múltiplas bolhas de ar (p = 4 kgflcm2; Re=4000)
88
40 40
Re2000 1 Re2000 ~ Par 4 kgf/cm2 ~ Par 4 kgf/cm2 ~ " 30--1 w1 J, -' :9 a 20-l 20-1
! .s ~ o o ... ...
ill ~ m
i!! i!! 10 ---j"-N a. a.
.;
l o o
.;
" -10 -10
o 200 400 600 o 200 400 600 Tempo (s) Tempo (s)
40 40
' Re2000
~ Re 2000 " J Par 4 kgf/cm2 Par 4 kgf/cm2
i
30_J 30 -i
'
J a 20j :9 -~ ~
-!0 j -!0 ~
o o ~ ... ...
m ~
"' "' i!! 10 i!! 10 o. a. '
~
J .;
o o ~
-10 -10
o 200 400 600 o 200 400 ""' Tempo (s) Tempo (s)
"' Re2000 Par 4 kgf/cm2
30
:9 20--i "' -!0
~ o ... "' "' i!! 10 .,....; a.
~
" 0--j
J
-10
o 200 400 600 Tempo (s)
Figura A4.4_ Injeção de múltiplas bolhas de ar (p = 4 kgf'cm2; Re=2000)
~ ~~I I_ 1 ., r
o "" "" 300 Tempo (s)
Transd 4
""' ~~----------------------------~
i Re 12000 l Par 4,8 kgf/cm2
l
- =.! g ~----------------------------1 20~
~ .s o ~ ~ ~
~ Q.
:,__ ____ _ 10 ~
I
o 100
~,· Re12000 Par 4,8 kgf/cm2
"" 300 Tempo (s)
j: "'-,'---"~----------------------
I c
-]----
'"1 -i
10 -i
J
0~~~------,---,,~--,---~ o 100 "" 300
Tempo (s) ""'
10 ~~-, -------
o 200 400 Tempo (s)
' Re 12000 1 Par 4,8 kgf/cm2
j ,.,,k--------------------1 a -i
í '--------------------------- i 1 20~ Q.
"" "" Tempo (s)
Figura A4.5. Injeção de múltiplas bolhas de ar (p = 4,8 kgf!cm2; Re=l2000)
89
eoo
90
~,-------------------------,
30
10
o
Re4000 Par 2,5 kgf/cm2
""' -Tempo (s)
Transe!. 1
~..,---------------------, j Re 4000 I Par 2,5 kgf/cm2
1 l
30-j
Transd. 01
Transd.02
Transd. 03
Transd. 04
l ! j~ o 20 .
i! ! a.
Tempo (s)
~-c---------------, ...: Re4000
1 Par 2,5 kgf/cm2
30~ ~
o 400
Tempo (s)
~,---------------, _ Re4000 J Par 2,5 kgf/cm2
30~ '
a l ! , o 20 _j
! ~
Transd. 01 i
Transd. 02
Transe!. 03
Transd. 04
,)--~-------------------!
J
o ' o ""' Tempo (s)
Figura A4.6. Injeção de múltiplas bolhas de ar (p = 2,5 kgf7cm2; Re=4000)
APÊNDICE 5- PROGRAMAS DE AQUISIÇÃO DE DADOS
Os programas de aquisição constituem-se das seguintes partes:
1. Definição de bibliotecas, portas de leitura, bits de importãncia;
Declaração das variáveis e subrotinas;
2. Programa principal
subrotina de leitura e filtragem de dados;
subrotina de construção do gráfico;
subrotina de seleção do acionamento de teclas;
arquivo de resultados;
3. Rotinas de tratamento da placa ADIDA;
A5.1 -Programa SC4.C
/* ---------------------------------------------------------------------- *I /* PROGRAMA PARA AQUISICAO DE DADOS- VERSAO 3.0 */
/* ESTE PROGRAMA FAZ A AQUISICAO COM 1000 PONTOS */
/* ---------------------------------------------------------------------- *I
/* ---------------------------------------------------------------------- *I I* ESTE PROGRAMA FAZ A AQUISICAO DE DADOS /* TRANSDUTORES DE PRESSAO LOCALIZADOS: /* CANAL O (Tl) = 494 M, CANAL 1 (T2} I* I*
CANAL 2 (T3) = 994 M, Ck~AL 3 (T4) Vazamentos a 250 M e 750 M
UTILIZANDO-SE DE QUATRO
744 M, 1244 M
*I *I *I *I *I
I* ---------------------------------------------------------------------- *I
#include "conio.h" #include "dos.h" #include "stdlib.h" #include "stdio.h" #include "graphics.h" #include "ctype.h" #include "math.h" #include "bios.h" /*#include "mcalc.h" */ #include ''time.h"
#define ADLSB o I* #define ADMSB 1 I* #define ADOFF 2 I* #define ADSTS 4 I* #define DA.l'1SB 6 I* #define DALSB 7 I* #define CTL 8 I* #define base Ox220 #define IODIG 10 I* #define TIMERO 12 I*
Porta de leitura do lsb do conv ad *I Porta de leitura do msb do conv ad *I Porta para ajuste de o:fset *I Porta de controle do modo de operacao *I Porta de escrita do msb do conversor da *I Porta de escrita do 1sb do conversor da *I Porta de controle do mux de EIS e do sh *I
Entrada e saida digital *I Time r o do 8253 *I
91
92
#define TIMERl 13 I* Timer 1 do 8253 */ #define TIMER2 14 I* Time r 2 do 8253 *I #define TIMCTL 15 I* Porta de controle do 8253 *I #define TRUE 1 #define FALSE o
/* ---------------------------------------------------------------------- *I I* DEFINICAO DOS BITS DE IMPORTANCIA*/
/* ----------------------------------------------------------------------*I #define BSHE.AN" OxlO I* Bit de controle do sample-hold entanl (l=sample) *I #define BSHSA oxos I* Bit de controle do sample-holds das saidas(l=sample)*/ #define MASCO - 5 OxOO I* Mascara no modo de operacao o-sv */ #define MASCl 5 Ox29 I* Mascara no modo de operacao l-SV */ #define MASCO 4 Ox08 I* Mascara no modo de operacao l-4V */ #define MASCBIP OX23 I* Mascara no modo de operacao BIPOLA.R *I #define TIME - OUT 25 I* Tempo de espera do fim da conversao AID *I
I* ---------------------------------------------------------------------- *I I* DECLARACAO DAS VARIAVEIS GLOBAIS E SUBROTINAS */
/* ---------------------------------------------------------------------- */
extern char erro; unsigned char modoper; unsigned int read_anl(},adj_offset(); unsigned char offset; int get_key(); void leitura(); void grafico (); void eixos { l ; void arquivo ( l ; void selchda(); void write_dig();
/* ---------------------------------------------------------------------- */ /* PROGRAMA PRINCIPAL */
/* ---------------------------------------------------------------------- */
void ma in ()
clock t clock(); int tempol=O,tempo2=0;
char loop,inicio,input; int i; float volt estac[llOO),volt trans[llOO); int graphdriver = DETECT,graphmode; offset = adj_offset();
inicio:
write_dig (0); clrscr (); printf("\n\n printf("\n\n\n getch (); clrscr ();
/* fechamento da valvula solenoide */
Aquisicao de dados experimentais "); Tecle <ENTER> para iniciar aquisicao de dados ");
initgraph(&graphdriver,&graphmode,"c:\\tc2"); /* inic.do mod.grafico */ tempol = clock(); leitura(volt_estac); tempo2 = clock(); cleardevice (); ei:xos(tempol,tempo2}; tempol = O; tempo2 = O; outtextxy( 300,460, "ESTADO ESTACIONARIO" l;
/* construcao dos eixos x e y do grafico */
grafico(volt_estac}; /* construcao do grafico para os dados filtrados */ outtextxy(350,10,"Para continuar aperte uma tecla"); getch(); cleardevice();
outtextxy ( 300,80, ''Processo em regime estacionaria - Aperte uma tecla"); outtextxy(300,90,"para iniciar regime transiente"); getch( l; cleardevice (); write dig(l); /* abertura da valvula solenoide */ /* delay(100); */ tempol = clock(); leitura(volt_trans); tempo2 = clock();
I* leitura dos dados no estado transiente */
TRANSIENTE"); eixos(tempol,tempo2); outtextxy(300,460,"ESTADO grafico(volt_trans); outtextxy(350,20,"Para printf{"\nTemporizacao write_dig(O);
continuar aperte uma tecla"); %.6f", (tempo2-tempoll/CLK TCK);
/* fechamento da valvula getch ();
opcao:
cleardevice (); outtextxy(320,80,"1 outtextxy(320, 90," outtextxy(320,100,"
loop:
-INICIO DO PROCESSO"); 2 -ARQUIVO DE RESULTADOS");
3- RETORNO AO PROGRAMA");
solenoide */
input = get_key(); switch(input)
I* selecao da tecla acionada */
{
}
case '1': got:o inicio;
case '2': arquivo(volt_trans,tempol,tempo2); goto opcao;
case '3': goto final;
if((input != 1) & (input != 2) & (input != 3)) {
outtextxy(320,110,"--------------------------------------"); outtextxy(320, 120, "Entre de novo com a opcao"); goto loop;
final:
closegraph (); }
/* finalizacao do modulo grafico */
/* ---------------------------------------------------------------------- *I /* SUBROTINA DE LEITURA E FILTRAGEM DE DADOS */
!* ---------------------------------------------------------------------- */
void leitura(float y[llOO]) {
int i,j; float alfa,somaO,sornal,soma2,soma3,soma4; alfa = 0.5;
/* LEITURA DOS DADOS */
for(i=O;i<1000;i=i+4)
sorna O 0.0; sornal 0.0; soma2 0.0; soma3 O. O; soma4 0.0;
93
94
for(j=O;j<SO;j++) {
soma O soma O somal
soma O soma O soma2
soma O soma O soma3
soma O soma O soma4
y[i] y[i+l] y[i+2] y[i+3]
read_anl (O,offset); I* transdutor - Tl */ read anl(O,offset); somal + read_anl(O,offset); /* transdutor- Tl */
read_anl(l,offset); /* transdutor- T2 */ read_anl(l,offset); soma2 + read_anl (l,offset); /* transdutor - T2 *I
read_anl(2,cffset}; /* transdutor- Tl */ read_anl(2,offset); soma3 + read_anl(2,offset); /* transdutor - Tl */
read_anl(3,offset); /* transdutor- T2 */ read_anl(3,offset); soma4 + read_anl (3,offset); /* transdutor - T2 *I
60.0*( (somal/50.0)-1012.0)/(4095.0-1012.0); 60.0*( (soma2/50.0J-1012.0)/(4095.0-1012.0); 30.0*( (soma3/50.0)-1012.0)/(4095.0-1012.0J; 15.0*( {soma4/50.0)-1012.0)/(4095.0-1012.0);
/* printf ( "\ncalibracao = %. 6f", somal/100); *I
/* FILTRAGEM DOS DADOS */
if(i >9 ) {
y[i] = alfa*alfa*y[i] + 2.0*{1.0-alfa)*y[i-4](1.0-alfa)*(l.O-alfa)*y[i-8);
y[i+l] alfa*alfa*y[i+l] + 2.0*(1.0-alfa)*y[i-3](1.0-alfa)*(1.0-alfa)*y[i-7j;
y[i+2] alfa*alfa*y[i+2] + 2.0*(1.0-alfa)*y[i-2](1.0-alfa)*(l.O-alfa)*y[i-6];
y[i+3] = alfa*alfa*yfi+3] + 2.0*(1.0-alfa)*y[i-1](1.0-alfa)*(l.O-alfa)*y[i-5];
/* ---------------------------------------------------------------------- *I /* SUBROTINA DE CONSTRUCAO DO GRAFICO */
/* ---------------------------------------------------------------------- */ void grafico(float y[llOO])
int i,ix,ponto[1200]; float dP;
for(i=O;i<lOOO;i=i+4) {
ix = i + 80; dP = y[i}; ponto[ixl ~ 340.0 - 20.0*dP; putpixel(ix,ponto[ix],lO);
ix = i + 80; dP = y[i+l]; ponto[ix] : 340.0 - 20.0*dP; putpixel(ix,ponto[ix] ,14);
ix = i + 80; dP = y[i+2]; pon~o[ix] = 340.0 - 20.0*dP;
/* coordenada x */
/* coordenada y */ /* introducao do ponto */
/* coordenada x */
/* coordenada y */ /* introducao do ponto */
putpixel{ix,ponto[ix],12);
ix ~ i + 80; dP = y[i+3]; ponto[ix] = 340.0 - 20.0*dP; putpixel(ix,ponto[ixJ,ll);
I* ---------------------------------------------------------------------- */ /* CONSTRUCAO DOS EIXOS X E Y */
/* ---------------------------------------------------------------------- */
void eixos(int ternpol, int tempo2)
char buf; int ix,iy; double ticx,ticy; float i; settextjustify(l,O); settextstyle(O,O,l); line(80,40,80,340); line(80,400,640,400J; for(i=O.O;i<=56l.OO;i=i+50.909090) {
ix = i + 80; line(ix,400,ix,406); ticx = ( ( (tempo2-tempol)/CLK_TCK)/560)*i; gcvt(ticx,3,&buf); outtextxy(ix+2,420,&buf);
ticy = 15.5; for(i=10;i<=310;i=i+10) {
iy = i + 30; line{75,iy,BO,iy); ticy = ticy- 0.5; gcvt(ticy,3,&buf); outtextxy(50,iy+4,&buf);
settextjustify(l,O); settextstyle(O,O,l); outtextxy(540,450,"tempo(s)"); settextjustify(l,l); settextstyle(O,l,l); outt.extxy(15,150,"alt.manometrica(PSI)"); settextstyle(O,O,l);
/* linha vertical */ /* linha horizontal */
/* divisoes do eixo x */
I* divisoes do eixo y *I
I* titulo do eixo X *I
I* titulo do eixo Y */
I* --------------------------------------------------------------------- *I I* SUBROTINA DE SELECAO DO ACIONAMENTO DE TECLAS *I
I* --------------------------------------------------------------------- *I
int get_key(void) {
int key,lo,hi; key = bioskey(O); lo = key & OXOOFF; hi = (key & OXFFOO) >> 8; return( (lo == O) ? hi + 256 lo);
I* --------------------------------------------------------------------- */ I* ARQUIVO DE RESULTADOS */
I* --------------------------------------------------------------------- *I
void arquivo(float y[llOOJ~ int tempol, int tempo2)
95
%
FILE *arql; char arq[15]; int i; float Pl,P2,P3,P4; cleardevice (); printf ( "\n De o nome do arquivo de dados "); scanf("%s",&arq); arql = fopen(arq,"wt"); clrscr ( J; for(i=O;i<250;i=i++J {
Pl=y[i*4]; P2=y[i*4+1J; P3=y[i*4+2]; P4=y[i*4+3]; fprintf(arql,"%f fprintf(arql,"%f fprintf(arql,"%f fprintf(arql,"%f fprintf(arql,"%f
fclose(arql);
", ( ( (tempo2-tempol) /CLK_TCK) /250) * (i +1) ) ; "I Pl); ", P2); ", P3 J; \n",P4);
I* ---------------------------------------------------------------------- *! /* INICIO DAS ROTINAS DE TRATAMENTO DA ADIDA *I
/* ---------------------------------------------------------------------- */ /* SELECAO DO CANAL DO MUX DA ENTRADA E DA Sk~PLE NA ENTR~DA */
I* ---------------------------------------------------------------------- */
selchad(unsigned char canal) {
unsigned char chad; chad = canal << 5; chad &= OxeO; outportb(base + CTL,chad); modoper j=BSHEAN; outportb(base + ADSTS,modoper); modoper &= -BSHEAN; outportb(base + ADSTS,modoper); return (canal);
/* Posiciona o end do mux (badchan) *I I* Isola somente badchan0-2 *I /* Seleciona o canal *I I* Introduz bit de sample */ !* Sample-hold da inanl em sample */ /* Retira bit de sample */ I* Sample-hold da inanl em hold *I
/* ---------------------------------------------------------------------- *I /* SELECIONA O CANAL DO WJX DE SAIDA E DA S~~PLE NA SAIDA */
/* ---------------------------------------------------------------------- */
void selchda(unsigned char canal)
unsigned char chda; canal &= Ox07; chda = (canal<< 5); chda I= canal;
chda I=BSHSA;
I* Isola */ /* Posiciona o end do mux (badchan0-2) *I /* Soma c/ o mux do sample-hold (badchan0-2) */
I* Seleciona o canal+sample-hold corresp */ /* Ir.troduz o bit de sample */
outportb(base + CTL,chda); /*Coloca o sample-hold do canal em sample */
/* ---------------------------------------------------------------------- */ /* ROTINA DE ESPERA DO FIM DA CONVERSAO */
;• ---------------------------------------------------------------------- */
wait_eoc()
unsigned register int ciclos,status; for (ciclos TIME_OUT;ciclos;ciclos --) return;
/* ---------------------------------------------------------------------- */
/* ROTINA DE LEITURA DO CONV~RSOR */ /* Parametro de entrada: numero do canal
Parametro de saída: retorna o valor da conversao se ocorrer erro retorna -1 */
/* ---------------------------------------------------------------------- */
unsigned ínt read_anl(unsigned char canal, unsigned char offset) {
unsigned int dadols,dadoms; unsigned int dado; selchad(canal); outportb(base+ADOFF,offset); dadols = inportb(base+ADLSB}; wait eoc(); dadoffis = inportb(base+ADMSB); dadols = inportb{base+ADLSB); dado = (dadoms << 8} + dadols; return(dado);
/* Normalisa o valor do offset */ /* Envia o start ao ad */ /* Delay para conversao */ /* Le os 4 bits mais significativos*/ /* Le os 8 bits menos significativos */
/* ---------------------------------------------------------------------- */ /*ESCREVE O VALOR DE DADO NA SAIDA ANALOGICA DE 'canal' */
/* ---------------------------------------------------------------------- *I
void write_anl(unsigned int dado,unsigned char canal) {
unsigned char dadols,dadoms; dadols = dado; dadoms = dado >> 8; outportb(base + DALSB,dadols); outportb(base + DAMSB,dadoms); selchda(canal); return;
/* Inicia o deslocamento do dado */ /* Desloca os 2 bits mais signific. */ /* Escreve byte menos significativo */ /* Escreve byte mais significativo */ /* Trans. para o canal de s. desejado */
/* ---------------------------------------------------------------------- *I /* ESCREVE NAS ENTRADAS DIGITAIS */
/* ---------------------------------------------------------------------- */
void write_dig(char dado) {
outportb(base + IODIG,dado);
/* ---------------------------------------------------------------------- */ /* ALGORITMO PARA AJUSTE AUTOMATICO DE OFFSET */
/* Retorna os seguintes valores: 100h -> Se nao existe o sinal de referencia de 3.500V na
entrada analogica 7 200h -> Se em 4 tentativas de ajustar o offset isto nao
for conseguido Num -> De Oh a OFFh que e o valor p/ zerar o offset */
/* ---------------------------------------------------------------------- *I unsigned int adj_offset() {
unsigned int inl,in2,i,inatual,trigger = Ox800; unsigned char flag O,delay; if(modoper & OxOl) /* modo 1 a 5V? */ trigger OxaOO; /* sim, armazene aüüh como valor de comparacao */ else trigger inatual
Oxb33; read_anl(7,140);
if(inatual < (trigger - OxlOO)} /* le a entrada de refer centrando o offset */
/* existe a referencia de (3500mV)? */ /* nao, retorne uma condicao de erro */
/* inicio do integ. p/ busca do ponto otimo */ return(Ox100); for(i=O;flag ==O;++i) {
inatual = read_anl(7, (i&Oxff)J; /* tente com i valor de offset */ for(delay=O;delay<SO;++delay) /* rotina para atraso */ if(inatual == trigger) /* erro de leitura =zero? */
97
98
flag = 1; if(i == Ox400) return ( Ox200);
return(i-1);
/* termine a execucao pto encontrado */ /* feita o scan 4 vezes sem sucesso? */ !* termine e retorne condicao de erro */
/* termine e retorne o valor ajustado */
I* ---------------------------------------------------------------------- */
/* ROTINA PARA SELECAO AUTOMATICA DO MODO DE OPERACAO ACEITA OS SEGUINTES PARAMETROS: */
/* n O -> 0-SV (modo default) n 1 -> 1-SV n 2 -> D-4V n 3 -> bipolar OBS: modo de leitura do conversor: pooling */
/*----------------------------------------------------------------------- *I
modo_oper(char n) {
}
unsigned char masc; masc=MASCO_S; switch(n) {
case 1:
case 2:
case 3:
masc = MASC1 5; break;
masc = MASC0_4; break;
masc = Jv':ASCBIP; break;
modoper masc; outportb(base+ADSTS,masc); return;
/* default operacao de o-sv */ /* scan do modo de operacao alternativo */
/* armazena o modo de operacao setado */ /* envia a placa *I
I* ---------------------------------------------------------------------- */O
A5.2 -Programa SCON.C
/* ---------------------------------------------------------------------- *I /* PROGRAMA PFRA AQUISICAO CONTINUA DE DADOS - VERSAO 1.0 *I
I* ESTE PROGRAMA FAZ A AQUISICAO CONTINUA DE PONTOS *I I* ---------------------------------------------------------------------- *I
I* ---------------------------------------------------------------------- *I I* ESTE PROGRAMA FAZ A AQUISICAO DE DADOS UTILIZANDO-SE DE QUATRO *I I* TRANSDUTORES DE PRESSAO LOCALIZADOS: *I I* CA."JAL O (T1) = 493,69 M, CA.NAL 1 (T2) ""743,73 M, *I I* CANAL 2 (T3) = 993,77 M, CA.l\IAL 3 (T4) ~ 1243,81 M */ I* Vazamentos a 249,95 Me 750,12 M *I /* ---------------------------------------------------------------------- *I
#include "conio.h" #include "dos.h" #include "stdlib.h" #include "stdio.h" #include "graphics.h" #include "ctype.h" #include "math.h" #include "bios.h" l*#include "mcalc.h" *I #include "time.h"
#define ADLSB o I" Porta de leitura do lsb do conv ad •I #define ADMSB 1 I• Porta de leitura do msb do conv ad •I #define ADOFF 2 I' Porta para ajuste de offset •I #define ADSTS 4 I' Porta de controle do modo de operacao 'I #define DAMSB 6 I' Porta de escrita do msb do conversor da 'I #define DALSB 7 I* Porta de escrita do lsb do conversor da 'I #define CTL 8 I* Porta de controle do mux de EIS e do sh *I #define base Ox220 #define IODIG 10 I* Entrada e sai da digital *I #define TIME RO 12 I' Time r o do 8253 *I #define TIMERl 13 I' Time r 1 do 8253 *I #define TIMER2 14 I' Time r 2 do 8253 *I #define TIMCTL 15 /* Porta de controle do 6253 *I #define TRUE 1 #define FALSE o
/* ---------------------------------------------------------------------- */ /* DECLARACAO DAS VARIAVEIS GLOBAIS E SUBROTINAS */
/* ---------------------------------------------------------------------- */
extern char erro; unsigned char modoper; unsigned int read_anl(),adj_offset(); unsigned char offset; int get_key(); void leitura (); void grafico (); void eixos ( ) ; void arquivo ( ) ; void selchda (); void write_dig();
FILE *arql; int cont, count; int tempo1,tempo2,tempo3; /* ---------------------------------------------------------------------- */
/* PROGRAVA PRINCIPAL */ /* ---------------------------------------------------------------------- */
void ma in () { clock_t clock(); char arq[15]; char loop,inicio,input; int i; float volt_estac[1100],volt_trans[1100]; int graphdriver = DETECT,graphmode; offset = adj_offset();
clrscr (); printf ( "\n De o nome do arquivo de dados "); scanf("%s",&arql; arql = fopen(arq,"wt");
tempol=O; tempo2=0; tempo3=C;
99
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inicio:
write dig(O); clrscr (); printf("\n\n printf ( .. \n\n\n getch (); clrscr ();
/* fechamento da valvula solenoide */
Aquisicao de dados experimentais "); Tecle <ENTER> para iniciar aquisicao de dados ");
initgraph(&graphdriver,&graphmode,"c:\\tc2"); /* inic.do mod.grafico */ cleardevice (); cont=O; count=O;
/* conta o numero de pontos */ /* conta o numero de graficos */
I* --------------------------------------------------------------------- */ /* INICIO DA AQUISICAO DE DADOS */
I* --------------------------------------------------------------------- *!
tempol = clock();
do { if (cont == 0)
{ cleardevice(); count=count+l; eixos (); outtextxy(350,10,"
) Para finalizar, aperte uma tecla");
cont = cont + l; leitura ( J; if (cont == 500) cont = O;
} while (kbhit() == 0); getch( J; tempo3 = clock(); printf {"Tempo total write dig(O);
%.6f", (tempo3-tempol)/CLK_TCK);
while (kbhi t ()==O); getch ( J; wri te dig (O) ;
closegraph(J' fclose(arql);
I* ---------------------------------------------------------------------- */ /* SUBROTINA DE LEITURA E FILTRAGEM DE DADOS */
/* ---------------------------------------------------------------------- */
void lei tu r a ()
int i,j,ix,iy,pnt,ponto; char buf; float tempo,somaO,somal,soma2,soma3,soma4,Pl,P2,P3,P4;
pnt=lOO;
/* LEITURA DOS DADOS */
soma O O. O; somal 0.0; soma2 0.0; soma3 0.0; soma4 O. O;
for(j=O;j<pnt;j++)
soma O read_anl(O,offset); I* transdutor - Tl */
read_anl(O,offset); soma O soma1 somal + read_anl(O,offset); I* transdutor - T1 *I
read_anl(l,offset); read_anl(1,offset);
/* transdutor - T2 */ soma O soma O soma2 soma2 + read_anl(1,offset); /* transdutor - T2 *I
read_anl (2,offset); /* transdutor - T1 */ read_anl(2,offset);
soma O soma O soma3 soma3 + read_anl{2,offset); /* transdutor- Tl */
read anl(3,offset); /* transdutor - T2 */ read:anl(3,offset);
soma O soma O soma4 soma4 + read_anl(3,offset); /* transdutor- T2 *I
)
Pl P2 P3= P4 =
60.0*( (soma1/pnt)-1012.0)/(4095.0-1012.0); 60.0*( (soma2/pnt)-1012.0JI(4095.0-1012.0); 30.0*( (soma3/pnt)-1012.0)/(4095.0-1012.0); 15. O* { (sorna4/pnt) -1012. O) I ( 4095.0-1012. O J;
tempo2 = clock(); ponto=(count-1)*500+cont;
I* tempo=(tempo2-tempol)/CLK TCK; */ tempo=ponto*O.Ol683564; -
/* codigo responsavel pelo vazamento */
if(ponto==lOOO) write_dig(1);
/* codigo responsaveis pelo arquivo continuo dos dados */
fprintf(arql,"%int fprintf(arq1,"%f fprintf(arq1,"%f fprintf(arq1,"%f fprintf(arq1,n%f fprintf(arq1,"%f
",ponto); ",tempo);
", Pl l; ", P2 J; ",P3); \n",P4);
I* imprime continuamente no grafico */
ix =cont + 80; I* iy : 340.0 -lO.O*Pl; I* putpixel(ix,iy,lO); I*
ix =cont + 80; I* iy = 340.0 - 10. O*P2; I* putpixel(ix,iy,14); I*
ix : cont+ 80; I* iy=340.0 - 10. O*P3; I* putpixel(ix,iy,l2);
ix : cont+ 80; I* iy = 340.0 - 10.0*P4; I* putpixel(ix,iy,ll); I*
coordenada X *I coordenada y *I introducao do pon't.o
coordenada X *I coordenada y *I introducao do ponto
coordenada X *I coordenada y *I
coordenada X *I coordenada y *I introducao do pon:::o
*I
*I
*I
I* ---------------------------------------------------------------------- *! I* CONSTRUCAO DOS EIXOS X E Y */
I* ---------------------------------------------------------------------- *I
void eixos ( ) {
char buf; double ticx,ticy; int i,ix,iy;
101
102
settextjustify(l,OJ; settextstyle(O,O,l);
line(80,40,80,340); line(80,400,640,400);
for(i=O;i<=500;i=i+l00) {
ix = i + 80; line(ix,400,ix,406); ticx = l.O*i+SOO*(count-1); gcvt(ticx,3,&buf); outtextxy[ix+2,420,&buf);
ticy = 31.0; for(i=lO;i<=310;i=i+10) {
iy = i + 30; line(75,iy,80,iy); ticy = ticy- 1.0; gcvt(ticy,3,&buf); outtextxy(50,iy+4,&buf);
settextjustify(l,O); settextstyle(O,O,l); outtextxy{540,450,"pontos"); settextjustify(l,l); settextstyle(O,l,l); outtextxy(l5,150,"Pressao (psi)"); settextstyle(O,O,l);
I* --------------------------------------------------------------------- */ /* SUBROTINA DE SELECAO DO ACIONAMENTO DE TECLAS */
I* --------------------------------------------------------------------- */
int get_key(void)
int key,lo,hi; key = bioskey(O); lo = key & OXOOFF; hi = (key & OXFFOO) >> 8; return( (lo== 0) ? hi + 256 lo);
I* ---------------------------------------------------------------------- *I /* INICIO DAS ROTINAS DE TRATAMENTO DA AO/DA *I
I* ---------------------------------------------------------------------- *I /* SELECAO DO CANAL DO MUX DA ENTRADA E DA SAMPLE NA ENTRADA */
I* ---------------------------------------------------------------------- *I
selchad(unsigned char canal) {
unsigned char chad; chad = canal << 5; chad &= Oxeü; outportb(base + CTL,chad); modoper !=BSHE~~;
outportb(base + ADSTS,modoper); modoper &= -BSHEA~;
outportb(base + ADSTS,modoper); return(canal);
I* Posiciona o end do mux (badchan) */ I* Isola somente badchanü-2 *I I* Seleciona o canal */ /* Introduz bit de sample *I /* Sample-hold da inanl em sample *I /* Retira bit de sample *I I* Sample-hold da inanl em hold */
I* ---------------------------------------------------------------------- */ I* SELECIONA O CANAL DO MUX DE SAIDA E DA SAMPLE NA SAIDA *I
/* ---------------------------------------------------------------------- *I
void selchda(unsigned char canal) {
unsigned char chda; canal &= Ox07; chda = (canal << 5); chda \= canal;
chda I=BSHSA; outportb(base + CTL,chda);
/* Isola */ /* Posiciona o end do mux (badchan0-2) */ /* Soma c/ o mux do sample-hold (badchan0-2) */
/* Seleciona o canal+sample-hold corresp */ /* Introduz o bit de sample */ /* Coloca o sample-hold do canal em sample */
/* ---------------------------------------------------------------------- */ /* ROTINA DE ESPERA DO FIM DA CONVERSAO */
/* ---------------------------------------------------------------------- */
wait_eoc()
unsigned register int ciclos,status; for (ciclos TIME_OUT;ciclos;ciclos --) return;
I* ---------------------------------------------------------------------- */ /* ROTINA DE LEITURA DO CONVERSOR */
/* Parametro de entrada: numero do canal Parametro de saida: retorna o valor da conversao
se ocorrer erro retorna -1 */
/* ---------------------------------------------------------------------- */
unsigned int read_anl(unsigned char canal, unsigned char offset) {
unsigned int dadols,dadoms; unsigned int dado; selchad(canal); outportb(base+ADOFF,offset); dadols = inportb(base+ADLSB); wait eoc(); dado~s = inportb(base+ADMSB); dadols = inportb(base+ADLSB); dado = (dadoms << 8) + dadols; return(dado);
/* Normalisa o valor do offset */ /* Envia o start ao ad */ /* Delay para conversao */ /* Le os 4 bits mais significativos*/ /* Le os 8 bits menos significativos */
/* ---------------------------------------------------------------------- */ /* ESCREVE O VALOR DE DADO NA SAIDA ANALOGICA DE 'canal' */
/* ---------------------------------------------------------------------- */
void write_anl(unsigned int dado,unsigned char canal) {
unsigned char dadols,dadoms; dadols = dado; dadoms = dado >> 8; outportb(base + DALSB,dadols); outportb(base + D~W;SB,dadoms); selchda(canal); return;
/* Inicia o deslocamento do dado */ /* Desloca os 2 bits mais signific. */ I* Escreve byte menos significativo */ /* Escreve byte mais significativo */ /* Trans. para o canal de s. desejado*/
/* ---------------------------------------------------------------------- *I I* ESCREVE NAS ENTRADAS DIGITAIS */
/* ---------------------------------------------------------------------- *I
void write_dig(char dado) l
outportb(base + IODIG,dado);
/* ---------------------------------------------------------------------- *I /* ALGORITMO PARA AJUSTE AUTOMATICO DE OFFSET */
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/* Retorna os seguintes valores: lOOh -> Se nao existe o sinal de referencia de 3.500V na
entrada analogica 7 200h -> Se em 4 tentativas de ajustar o offset isto nao
for conseguido Num -> De Oh a OFFh que e o valor p/ zerar o offset */
/* ---------------------------------------------------------------------- *I unsigned int adj_offset() {
unsigned int inl,in2,i,inatual,trigger = Ox800; unsigned char flag O,delay; if(modoper & Ox01) /* modo 1 a 5V? */ trigger OxaOO; /* sim, armazene aOOh como valor de comparacao */ else trigger Oxb33; inatual read anl(7,140); /* if(inatual < (trigger Oxl00))
le a entrada de refer centrando o offset */ /*existe a referencia de (3500mV)? */
/* nao, retorne uma condicao de erro */ /* inicio do integ. p/ busca do ponto otimo */
return ( OxlOO); for(i=O;flag ==O;++iJ {
inatual = read_anl(7, (i&Oxff)); for(delay=O;delay<50;++delay) if(inatual == trigger) flag = 1; if(i == Ox400) return(Ox200);
;• I* !• /* /* /*
tente com i valor de offset *I rotina para atraso •; erro de leitura =zero? *I termine a execucao pto encontrado *I feita o scan 4 vezes sem sucesso? *I termine e retorne condicao de erro *I
} return(i-1); /* termine e retorne o valor ajustado */
/* ---------------------------------------------------------------------- */
/* ROTINA PARA SELECAO AUTO~ATICA DO MODO DE OPERACAO ACEITA OS SEGUINTES PARAMETROS: */
I* n O -> n = 1 -> n 2 ->
o-sv 1-SV 0-4V
(modo default)
n = 3 -> bipolar OBS: modo de leitura do conversor: pooling */
/*----------------------------------------------------------------------- */ modo_oper(char n) {
unsigned char masc; masc=MASCO 5; switch (n) {
case 1:
case 2:
case 3:
masc = MASC1_5; break;
masc = MASC0_4; break;
masc = MASCBIP; break;
modoper masc; outportb(base+ADSTS,masc); return;
/* default operacao de o-sv */ /* scan do modo de operacao alternativo */
/* armazena o modo de operacao setado */ /* envia a placa */
/* ---------------------------------------------------------------------- */0
105
APÊNDICE 6 -REGIMES DE ESCOAMENTO GÁS- LÍQUIDO
Neste Apêndice é apresentado o método utilizado na detenninação dos regimes de
escoamento para os experimentos onde ar e água escoam continuamente na tubulação.
Os regimes de escoamento que se desenvolvem durante o escoamento horizontal de
uma nústura gás - líquido são classificados da seguinte maneira:-
1. Fluxo de bolhas (ou "froth"). Escoamento caracterizado pela presença de bolhas
de gás dispersas no líquido. Geralmente ocorre para velocidades superficiais de líquido (vsL)
de 1,5 a 4,5 m/s e para velocidades superficiais de gás (vsa) de 0,3 a 3 m/s.
2. Fluxo empistonado. Neste padrão, elementos de líquido e gás fluem
alternadamente na parte superior do tubo. Ocorre para VsL ~ 0,6 m/s e para Vsa ~ 0,9 m/s.
3. Escoamento estratificado. Escoamento no qual o líquido se move na parte
inferior e o gás na parte superior, do tubo. Ocorrência:- VsL ~ 0,15 m/s; Vsa ~ 0,6 m/s.
4. Escoamento na forma de ondas. Padrão de escoamento semelhante ao
estratificado, exceto que na interface gás-líquido existem ondas que viajam na direção do
escoamento. Ocorrência:- VsL ~ 0,30 m/s; Vsa ~ 4,5 m/s.
5. Fluxo "slug". Neste padrão, algumas ondas são periodicamente arrastadas pelo
gás em alta velocidade, formando um "projétil" líquido, que se move à uma velocidade
muito maior do que a média da fase líquida. Estes "projéteis" podem causar sérias vibrações,
devido a colisões com os acidentes presentes na tubulação.
6. Escoamento anular. Padrão de escoamento no qual o líquido escoa na forma de
um filme ao longo da parede do tubo, enquanto o gás escoa no centro. Uma porção do
líquido escoa na forma de um "spray" arrastado pelo gás. Ocorrência:- vsa :2:: 6 m/s.
7. Escoamento em "spray" ou disperso. Escoamento no qual o líquido flui na forma
de pequenas gotas arrastadas pelo gás. Ocorrência:- Vsa :2::60 rnls.
106
O reg~me de escoamento na horizontal de uma mistura gás - liquido pode ser
determinado através da correlação de Baker (citado em Perry e Green, 1984), como
mostrado na Figura A6.1. Nesta Figura,
!Bub ?' hoth
mr
· i··· I··· i· I··'>. ···4--IH·Hfii~~~Ulil~-~
5 tO
~tug __ _
I I IIIIIL 5 2 0.0~.1 2
Figura A6.1. Mapa dos regimes de escoamento na horizontal (misturas gás-líquido).
(A6.1)
(A6.2)
onde Ga =velocidade mássica do gás; Gt =velocidade mássica do liquido; ll'L =razão entre
a viscosidade do líquido e da água; p' o= razão entre a densidade do gás e do ar; p\ = razão
entre a densidade do líquido e da água; cr = razão entre a tensão superficial do líquido e da
água. As propriedades da água e do ar são a T = 20 °C e P = 1 atm.
Os resultados obtidos para as condições de operação nos experimentos onde ar e água
escoam continuamente na tubulação, são mostrados na Tabela A6.1
107
Re Q., vaz. (%) Galf.. Gt f.. \11 I Ga Regime
(líquido) (Vmin) (lb I (s.ft2)) de escoamento
10000 1,7 10 0.027 4073 empistonado
10000 1,7 10 0.027 4073 empistonado
10000 1,7 30 0.027 4073 empistonado
10000 1,7 50 0.027 4073 empistonado
10000 1,7 50 0.027 4073 empistonado
10000 1,7 50 0.027 4073 empistonado
10000 8,6 50 0.133 808 empistonado
10000 8,6 50 0.133 911 empistonado
10000 19,0 50 0.294 364 estratificado
10000 19,0 50 0.294 364 estratificado
10000 1,7 30 0.027 4073 empistonado
10000 1,7 30 0.027 4073 empistonado
108
REFERÊNCIAS BIDLIOGRÁFICAS
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pipelines" Appl. Math. Modelling, 12, 25 - 30, (1988).
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Proceedings: The First European Congress On Chemical Engineering, Firenze, Itália, 1,
771 - 774, (1997).
Billmann, L. e Isermann, R., "Leak Detection Methods for Pipelines", Automatica,
23, (3), 381 - 385, (1987).
Black, P., Pipeline Systems, 287-298, Kluwer Academic Publishers, Holanda, (1992).
Bniatti, C. M., "Monitoramento de Tubulações por Técnicas Computacionais "On
fine", Dissertação de Mestrado, UNICAMP, Campinas, SP, ( 1995).
Cruz, S. L., Buiatti, C. M. e Pereira, J. A. F. R., "Pipeline Rupture Detection and
Location and Transient Behavíor of an Orifice Meter Using On-Line Computer Techniques",
Proceedings: 5th World Congress of Chemical Engineering, San Diego, California, USA,
vol. 1, 987- 992, (1996).
Dempsey, J. e AI-Habib, R., SCADA Computer Controls Major Saudi Aranco Crude
Oil Pipeline", Proceedings: 5th World Congress on Chemical Engineering, San Diego,
California, USA, vol. 1, 973 - 980, (1996).
Gally, M. e Rieutord, E., "Détection et Localisation de Fuites en Écoulement
Instationnaire Application aux Oléducs et Gazoducs", Revue Française de Mécanique, (2),
(1986).
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Mears, M.N., "Major pipeline installs system to pinpoint leak siZe, location",
Technology, Oi! & GasJournal, Abri111, 37-43, (1988).
Naves, G. J., "Técnicas de Computação em Tempo Real em Controle e Supervisão de
Tubulações", Dissertação de Mestrado, UNICAMP, Campinas, SP, (1991).
109
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5-40, McGraw-Hill Book Co., Tokyo, Japão, (1984).
Silva, R. A., Buiatti, C M., Cruz, S. L. e Pereira, J. A. F. R., "Pressure Wave
Behaviour and Leak Detection in Pipelines", Comp. Chem. Engng, 20, S491 - S496, (1996).
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autoregressive modeling", IEEE Transactions on Instrnmentation and Measurement, 42,
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B \ECr\0
