BRPI0612768A2

BRPI0612768A2 - sistema de medição de fluxo multifásico que tem um separador de fluìdo

Info

Publication number: BRPI0612768A2
Application number: BRPI0612768-1A
Authority: BR
Inventors: Daniel L Gysling
Original assignee: Cidra Corp
Priority date: 2005-07-07
Filing date: 2006-07-07
Publication date: 2010-11-30
Also published as: DE602006017074D1; AU2006269354B2; CA2612625A1; ATE482380T1; EP1899688B1; NO20080613L; MX2008000048A; CA2614015C; CA2614015A1; US20070006640A1; NO340171B1; EP1899687B1; WO2007008626A1; AU2006269351B2; DE602006017840D1; BRPI0612597A2; US7661302B2; AU2006269354A1; CA2614021C; NO340170B1

Abstract

SISTEMA DE MEDIçAO DE FLUXO MULTIFASICO QUE TEM UM SEPARADOR DE FLUIDO. Um aparelho para a determinação de uma característica de um escoamento de fluido em um tubo é provido, onde o aparelho inclui um dispositivo de separação para a separação do fluido em um componente de gás e um componente de líquido e o direcionamento do componente de gás para fluir em uma porção de trecho de gás do tubo e a componente de liquido para fluir em uma porção de trecho de líquido do tubo. O aparelho inclui um dispositivo de medição de porção de trecho de gás para a geração de dados de componente de gás e um dispositivo de medição de porção de trecho de líquido para a geração de dados de componente de líquido. Mais ainda, o aparelho inclui um dispositivo de processamento em comunicação com pelo menos um dentre o dispositivo de medição de porção de trecho de gás e o dispositivo de medição de porção de trecho de líquido, o dispositivo de processamento sendo configurado para gerar dados de escoamento de fluido em resposta a uma característica de escoamento de fluido.

Description

SISTEMA DE MEDIÇÃO DE FLTJXO MULTIFÁSICO QUE TEM UMSEPARADOR DE FLUIDO

REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS DE PATENTE RELACIONADOS

Este pedido reivindica o benefício do Pedido dePatente Provisória U.S. N0 60/760.845 (Protocolo Legal N0CC-0845) depositado em 19 de janeiro de 2006, Pedido dePatente Provisória U.S. N0 60/759.159 (Protocolo Legal N0CC-0844) depositado em 12 de janeiro de 2006; Pedido dePatente Provisória U.S. N0 60/758.382 (Protocolo Legal N0CC-084 3) depositado em 11 de janeiro de 2006;; Pedido dePatente Provisória U.S. N0 60/724.952 (Protocolo Legal N0CC-0832) depositado em 6 de outubro de 2005; Pedido dePatente Provisória U.S. N0 60/697.479 (Protocolo Legal N0CC-0820) depositado em 7 de julho de 2005, Pedido dePatente Provisória U.S. N0 60/762.101 (Protocolo Legal N0CC - 084 6) depositado em 24 de janeiro de 2006; Pedido dePatente Provisória U.S. N0 60/773.146 (Protocolo Legal N0CC- 0847) depositado em 13 de fevereiro de 2006, Pedido dePatente Provisória U.S. N0 60/774.706 (Protocolo Legal N0CC-0848) depositado em 17 de fevereiro de 2006, e Pedido dePatente Provisória U.S. N0 60/YYY.YYY (Protocolo Legal N0CC-086 0) depositado em 3 0 de junho de 2006, todos os quaissendo incorporados aqui como referência em sua totalidade.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Um processo de fluxo de fluido (processo de fluxo)inclui qualquer processo que envolva o fluxo de fluidosatravés de tubos, dutos, ou outros condutos, bem comoatravés de dispositivos de controle de fluido, tais comobombas, válvulas, orifícios, trocadores de calor esimilares. Os processos de fluxo são encontrados em muitasindústrias diferentes, tais como a indústria de óleo e gás,refino, indústria de alimentos e bebidas, indústria químicae petroquímica, indústria de polpa e papel, geração depotência, indústria farmacêutica e indústria de tratamentode água e de águas servidas. 0 fluido no processo de fluxopode ser um fluido monofásico (por exemplo, gás, líquido ouuma mistura de líquido / líquido) ou uma misturamultifásica (por exemplo, pastas de papel e polpa ou outrasmisturas de sólido / líquido), onde a mistura multifásicapode ser uma mistura bifásica de líquido / gás, uma misturade sólido / gás ou uma mistura de sólido / líquido, um gásentranhado em líquido, ou uma mistura trifásica.

Em certos fluxos de processo, tais como aquelesencontrados nas indústrias de óleo e gás, é desejávelseparar o líquido (por exemplo, óleo e/ou água) e oscomponentes de gás (por exemplo, ar) do fluido. Isto érealizado, tipicamente, usando-se um separador, o qual é umitem de equipamento de produção usado para separação decomponentes líquidos da corrente de fluido de componentesgasosos. Os componentes líquidos e gasosos fluem a partirdo separador em trechos separados (tubos) , com o trechocontendo o componente gasoso referido como o "trecho degás" e o trecho contendo o componente líquido referido comoo "trecho de líquido". Cada um dos trechos tipicamenteinclui um medidor de fluxo para a determinação da vazãovolumétrica para cada um dos componentes de gás e dofluido, respectivamente, onde a vazão volumétrica do trechode gás é comumente medida usando-se uma placa de orifício.

Infelizmente, contudo, os dispositivos separadores degás / líquido atuais tendem a ser dispositivos grandes,volumosos e ineficientes que são dispendiosos de seimplementar e operar. Por exemplo, os separadores atuaisrequerem uma hoste de equipamento eletrônico para controleda operação do dispositivo de separação. Este tipo deequipamento sensível é dispendioso de manter. Mais ainda,devido ao fato de um transporte de líquido no trecho de gásdo separador de gás / líquido comumente ocorrer, onde olíquido tipicamente assume a forma de uma névoacompreendida por pequenas gotículas de líquido. De modo ase dirigir a essa questão, a maioria dos separadores incluicaptadores de névoa projetados para a recuperação dolíquido transportado. Isto tende a aumentar o tamanho dosdispositivos separadores já volumosos. Assim, é um objetivoda presente invenção prover uma solução em linha para acondução de forma acurada de medições em linhamultifásicas, enquanto se elimina o dispositivo separador.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Um aparelho para a determinação de uma característicade um fluxo de fluido em um tubo é provido, onde o aparelhoinclui uma porção de separador para separação do fluido emum componente de gás e em um componente de líquido edirecionamento do componente de gás para fluir em umaporção de trecho de gás do tubo e o componente de líquidopara fluir em uma porção de trecho de líquido do tubo. 0aparelho inclui um dispositivo de medição de porção detrecho de gás, onde o dispositivo de medição de porção detrecho de gás gera dados de componente de gás em resposta auma característica de componente de gás e um dispositivo demedição de porção de trecho de líquido, onde o dispositivode medição de porção de trecho de líquido gera dados decomponente de líquido em resposta a uma característica decomponente de líquido. Mais ainda, o aparelho inclui umdispositivo de processamento em comunicação com pelo menosum dentre o dispositivo de medição de porção de trecho degás e o dispositivo de medição de porção de trecho delíquido, o dispositivo de processador sendo configuradopara receber e processar pelo menos um dos dados decomponente de gás e dos dados de compartilhamento para ageração de dados de fluxo de fluido em resposta a umacaracterística de fluxo de fluido.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Com referência, agora, aos desenhos, os recursos evantagens precedentes e outros da presente invenção serãomais plenamente entendidos a partir da descrição detalhadaa seguir das modalidades ilustrativas, tomada em conjuntocom os desenhos associados, nos quais elementos iguais sãonumerados da mesma forma:

a Figura Ia é um diagrama esquemático geral de umaparelho para medição de umidade e vazão volumétrica de umfluxo de gás em um tubo.

a Figura Ib é um diagrama esquemático geral de umaparelho para medição de umidade e vazão volumétrica de umfluxo de gás em um tubo.

a Figura 2 é um gráfico de erro positivo de leitura(estimativa para mais) de um medidor de fluxo baseado noorifício Modelo 1595 de Emerson como uma função do númerode Lockhartd-Martinelli.

a Figura 3 é um gráfico que descreve o desvio entre ummedidor de fluxo volumétrico baseado em sonar e uma vazãovolumétrica de referência como uma função do número deLockhartd-Martinelli.

a Figura 4 é um diagrama de blocos que ilustra umamodalidade de um algoritmo de gás úmido de acordo com apresente invenção.

a Figura 5a é um gráfico de saída de um medidor de DPe de uma saída de um medidor de sonar para ilustrar que aumidade do gás é em relação à diferença das duas saídas deacordo com a presente invenção.

a Figura 5b é um gráfico de saída de um medidor de DPe de uma saída de um medidor de sonar para ilustrar que aumidade do gás é em relação à diferença das duas saídas deacordo com a presente invenção.

a Figura 6 é um diagrama de blocos de uma primeiramodalidade de uma lógica de fluxo usada no aparelho deacordo com a presente invenção.

a Figura 7 é uma vista em seção transversal de um tuboque tem estruturas coerentes ali.

a Figura 8 é um gráfico k-ω de dados processados apartir do aparelho da Fig. 1, que ilustra a inclinação dacrista convectiva, e um gráfico da função de otimização dacrista convectiva.

a Figura 9 é um diagrama de blocos de uma segundamodalidade de uma lógica de fluxo usada no aparelho dapresente invenção.

a Figura 10 é um gráfico k-ω de dados processados apartir de um aparelho que concretiza a presente invenção,que ilustra a inclinação das cristas acústicas.

a Figura 11 é um diagrama esquemático geral queilustra uma outra modalidade de um aparelho para medição deumidade e vazão volumétrica de um fluxo de gás em um tubo,onde o medidor de sonar é disposto a montante do medidor deDP de acordo com a presente invenção.

a Figura 12 ilustra um sistema de medidor de fluxo quetem um tubo de desvio para separação do fluxo de fluido emedição de parâmetros de um fluxo de fluido incluindo umfluxo de fluido multifásico, de acordo com a presenteinvenção.

a Figura 13 ilustra um sistema de medidor de fluxo quetem um tubo de desvio para separação do fluxo de fluido emedição de parâmetros de um fluxo de fluido incluindo umfluxo de fluido multifásico, de acordo com a presenteinvenção.

a Figura 14 mostra um gráfico que ilustra a relaçãoentre vazões de gás reais / reportadas e umidade, de acordocom a presente invenção.

a Figura 15 ilustra um sistema de medidor de fluxo quetem um tubo de desvio para separação do fluxo de fluido emedição de parâmetros de um fluxo de fluido incluindo umfluxo de fluido multifásico, de acordo com a presenteinvenção.

a Figura 16 ilustra um sistema de medidor de fluxo quetem um tubo de desvio para separação do fluxo de fluido emedição de parâmetros de um fluxo de fluido incluindo umfluxo de fluido multifásico, de acordo com a presenteinvenção.

a Figura 17 ilustra um sistema de medidor de fluxo quetem um tubo de desvio para separação do fluxo de fluido emedição de parâmetros de um fluxo de fluido incluindo umfluxo de fluido multifásico, de acordo com a presenteinvenção.a Figura 18 ilustra um sistema de medidor de fluxo quetem um tubo de desvio para separação do fluxo de fluido emedição de parâmetros de um fluxo de fluido incluindo umfluxo de fluido multifásico, de acordo com a presenteinvenção.

a Figura 19 ilustra um sistema de medidor de fluxo quetem um tubo de desvio para separação do fluxo de fluido emedição de parâmetros de um fluxo de fluido incluindo umfluxo de fluido multifásico, de acordo com a presenteinvenção.

a Figura 20 ilustra um sistema de medidor de fluxo quetem um tubo de desvio para separação do fluxo de fluido emedição de parâmetros de um fluxo de fluido incluindo umfluxo de fluido multifásico, de acordo com a presenteinvenção.

a Figura 21 ilustra um sistema de medidor de fluxo quetem um tubo de desvio para separação do fluxo de fluido emedição de parâmetros de um fluxo de fluido incluindo umfluxo de fluido multifásico, de acordo com a presenteinvenção.

a Figura 22 ilustra um sistema de medidor de fluxo quetem um tubo de desvio para separação do fluxo de fluido emedição de parâmetros de um fluxo de fluido incluindo umfluxo de fluido multifásico, de acordo com a presenteinvenção.

a Figura 23 ilustra um sistema de medidor de fluxo quetem um tubo de desvio para separação do fluxo de fluido emedição de parâmetros de um fluxo de fluido incluindo umfluxo de fluido multifásico, de acordo com a presenteinvenção.a Figura 24 ilustra um sistema de medidor de fluxo quetem um tubo de desvio para separação do fluxo de fluido emedição de parâmetros de um fluxo de fluido incluindo umfluxo de fluido multifásico, de acordo com a presenteinvenção.

a Figura 25 ilustra um sistema de medidor de fluxo quetem um tubo de desvio para separação do fluxo de fluido emedição de parâmetros de um fluxo de fluido incluindo umfluxo de fluido multifásico, de acordo com a presenteinvenção.

a Figura 26 ilustra um sistema de medidor de fluxo quetem um tubo de desvio para separação do fluxo de fluido emedição de parâmetros de um fluxo de fluido incluindo umfluxo de fluido multifásico, de acordo com a presenteinvenção.

a Figura 27 ilustra um sistema de medidor de fluxo quetem um tubo de desvio para separação do fluxo de fluido emedição de parâmetros de um fluxo de fluido incluindo umfluxo de fluido multifásico, de acordo com a presenteinvenção.

a Figura 28 ilustra um sistema de medidor de fluxo quetem um tubo de desvio para separação do fluxo de fluido emedição de parâmetros de um fluxo de fluido incluindo umfluxo de fluido multifásico, de acordo com a presenteinvenção.

a Figura 29 ilustra um sistema de medidor de fluxo quetem um tubo de desvio para separação do fluxo de fluido emedição de parâmetros de um fluxo de fluido incluindo umfluxo de fluido multifásico, de acordo com a presenteinvenção.a Figura 30 é uma vista em seção transversal de umaoutra modalidade de um sistema de medidor de fluxo paraseparação do fluxo de fluido e medição de parâmetros de umfluxo de fluido incluindo um fluxo de fluido multifásico,de acordo com a presente invenção.

a Figura 31 é uma vista em seção transversal dosistema de medidor de fluxo da Figura 30, tomada ao longoda linha A-A.

a Figura 32 é uma vista em seção transversal de umaoutra modalidade do sensor de corte de água da Figura 30,de acordo com a presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA

Os medidores de fluxo baseados em pressão diferencial(DP) são amplamente usados para a monitoração de produçãode gás e são bem conhecidos por estimarem para mais asvazões de gás na presença de líquidos, onde esta tendênciaa estimar para mais devido à umidade indica uma fortecorrelação com a relação em massa de líquido para gás dofluxo. Adicionalmente, foi observado que medidores desonar, conforme será descrito aqui mais tarde, continuam areportar de forma acurada as vazões de gás,independentemente do carregamento de líquido. Como tal,esta insensibilidade à umidade provê um meio prático para amedição de forma acurada da vazão de gás e da vazão delíquido de um fluxo de gás úmido. No processamento dosdados combinados (isto é, dados obtidos a partir do medidorde DP e do medidor de sonar) , um conjunto de coeficientesde sensibilidade à umidade local para cada série de umidade(a uma pressão e uma vazão fixas) pode ser usado para aprovisão de uma caracterização mais acurada do medidor deDP e do medidor de sonar para a determinação da umidade,onde os coeficientes de sensibilidade à umidade para cadadispositivo podem ser providos por um ajuste polinomial deordem baixa da estimativa para mais versus umidade. Estacaracterização então pode ser usada para se "inverterem" assaídas do medidor de DP e do medidor de sonar para aprovisão de uma vazão de gás acurada e de uma vazão delíquido acurada. Deve ser apreciado que a insensibilidadede um medidor de sonar à umidade deteriora com números deFroude (Fr) densimétricos decrescentes, onde o número deFroude densimétrico é uma medida do grau de "confusão" nofluxo. Conforme é conhecido, o número de Froude é dado por:

<formula>formula see original document page 11</formula>

onde Fr é o número de Froude, pgas é o peso específico dogás, piig é o peso específico do líquido, Qgas é a velocidadede fluxo do gás e gD é a força da gravidade multiplicadapelo diâmetro interno do tubo. Deve ser apreciado quefluxos que resultados mais acurados são obtidos a partirdos fluxos que sejam bem misturados, e o número de Froude éuma medida de quão bem o fluxo é misturado. Assim, quantomais alto o número de Froude, mais bem misturado está ofluxo. Por exemplo, um número de Froude maior do que 2(isto é, Fr > 2) , as taxas de gás reportadas a partir domedidor de sonar tipicamente estão em 5% da quantidadereal, independentemente da umidade. Também deve serapreciado que fluxos tendo um número de Froude maior do queou igual a dois (Fr > 2) tendem a produzir resultadosótimos.Conforme mostrado na Figura Ia e na Figura Ib, umdiagrama esquemático geral de um sistema para separação deum fluxo de fluido 100 em um componente de gás 104 e umcomponente de líquido 106 é mostrado. 0 fluxo de fluido 100é introduzido em uma porção de separador 102, a qual separao fluxo de fluido 100 na mistura de gás 104 e no líquido106, conforme será descrito em maiores detalhes aquiadiante, onde a mistura de gás 104 é dirigida para fluir emuma porção de trecho de gás 108 da porção de separador 102e o líquido 106 é dirigido para fluir em uma porção detrecho de líquido 110 da porção de separador 102. A misturade gás 104 fluindo no trecho de gás 108 inclui gás etransporte de líquido a partir da porção de separador 102.

Um aparelho 112 é provido para medição da umidade e davazão da mistura de gás 104 e pode incluir um medidor defluxo de diferencial ("medidor de DP") 114 e um medidor defluxo de sonar 116 tendo um arranjo de sensores baseados emdeformação 118, onde a combinação do medidor de DP 114 e domedidor de fluxo de sonar 116 provê medições de vazão paraum processador de fluxo de saída de separador 120. Conformedescrito em maiores detalhes aqui adiante, usando-se asmedições do medidor de DP 114 e do medidor de fluxo desonar 116, o processador de fluxo de saída de separador 120determina a umidade da mistura de gás 104 no trecho de gás108, bem como a vazão volumétrica do gás e a vazãovolumétrica do transporte de líquido. A vazão volumétricados componentes do transporte de líquido (isto é, óleo eágua) pode ser determinada assumindo-se um corte de águaconhecido ou típico (ou fração de fase) ou pelo uso docorte de água medido, conforme pode ser provido por ummedidor de fluxo de líquido 122 disposto na porção detrecho de líquido 110 da porção de separador 102.

Com referência de novo à Figura Ia e à Figura Ib, oaparelho 112 para a medição da umidade e das vazõesvolumétricas de um fluxo de gás úmido 104 fluindo em umtubo 124 é mostrado e inclui o medidor de fluxo baseado empressão diferencial 114 e o medidor de fluxo baseado emsonar 116. Conforme será descrito em maiores detalhes aquiadiante, a vazão volumétrica do fluxo de gás 104determinada pelo medidor de fluxo baseado em pressãodiferencial 114 (Qap) ê usada juntamente com a vazãovolumétrica do fluxo de gás 104 determinada pelo medidor defluxo baseado em sonar 116 (Qsonar) para determinação daumidade do fluxo de gás 104, a qual pode ser expressa comoum número de Lockhartd-Martinelli (LM). Deve ser apreciadoque erros na vazão de líquido interpretada geralmente sãocorrigíveis até um alto grau de acurácia, desde que aquantidade de gás entranhado seja conhecida. Felizmente, deuma perspectiva de medição, a fonte do gás livre no trechode líquido 110 não tem apoio em seu efeito sobre a mediçãode fluxo e o impacto do gás livre se escalona diretamentecom a fração de vazios de gás. Adicionalmente, deve serapreciado que, embora no exemplo mostrado o tubo 124 sejadescrito como o trecho de gás 108 da porção de separação degás / líquido 102, é contemplado que o aparelho 112 podeser usado em qualquer duto, conduto ou outra forma de tubo124 através da qual um gás 104 pode fluir.

A porção de separador de gás / líquido 102 é conformedescrito em maiores detalhes aqui adiante, e pode ser usadapara a separação dos componentes líquidos de uma correntede fluido entrando 100 a partir de quaisquer componentesgasosos. Conforme descrito em maiores detalhes aquiadiante, geralmente os componentes líquidos e gasosos fluema partir a porção de separador 102 em tubos (trechos)separados 124 e 126, com o trecho 124 contendo o componentegasoso 104 e o trecho 126 contendo o componente líquido106, onde o fluxo no trecho 124 será recombinado com ofluxo no trecho 126. O trecho de líquido 126 pode incluir omedidor de fluxo de líquido 122, o qual mede a vazãovolumétrica do líquido 106 fluindo através dali.

O medidor de fluxo baseado em pressão diferencial 114pode incluir qualquer tipo de medidor de fluxo que permitauma medição de fluxo usando uma pressão diferencial (ΔΡ) nofluxo 104. Por exemplo, o medidor de fluxo de DP 114 podepermitir a medição de fluxo pelo uso de uma obstrução defluxo 128 ou restrição, para a criação de uma pressãodiferencial que seja proporcional ao quadrado da velocidadedo fluxo de gás 104 no tubo 124, de acordo com o teorema deBernoulli. Esta pressão diferencial através da obstrução128, usando um par de sensores de pressão 113, pode sermedida e convertida em uma vazão volumétrica usando-se umprocessador ou dispositivo secundário 13 0, tal como umtransmissor de pressão diferencial. No exemplo mostrado, aobstrução de fluxo 128 é uma placa de orifício 128 atravésda qual o fluxo de gás úmido 104 passa. 0 transmissor 130detecta a queda na pressão do fluxo 104 através da placa deorifício 128, e determina uma vazão volumétrica do fluxo degás úmido 104 (Qap) como uma função da queda de pressãodetectada. Embora um medidor de fluxo baseado em orifício128 seja mostrado, será apreciado que o medidor de fluxobaseado em pressão diferencial 114 pode incluir um medidorde venturi, um medidor de cone em V, uma restrição de fluxoou similar.

O medidor de fluxo baseado em sonar 116 inclui umarranjo espacial 132 de pelo menos dois sensores de pressão118 dispostos em localizações axiais diferentes Xi...xN aolongo do tubo 124. Cada um dos sensores de pressão 118provê um sinal de pressão P(t) indicativo de uma pressãonão permanente no tubo 124 em uma localização axialcorrespondente Xi...xN do tubo 124. Um processador de sinal134 recebe os sinais de pressão P1 (t) . . . Pn (t) a partir dossensores de pressão 118 no arranjo 132, e determina avelocidade e a vazão volumétrica do fluxo de gás úmido 104usando sinais de pressão a partir dos sensores de pressão118. 0 processador de sinal 134 então aplica técnicas deprocessamento de arranjo aos sinais de pressãoP1 (t) . . . Pn (t) para determinação da velocidade, vazãovolumétrica e/ou outros parâmetros do fluxo de gás úmido 104.

Embora o medidor de fluxo baseado em sonar 116 sejamostrado como incluindo quatro sensores de pressão 118, écontemplado que o arranjo 132 de sensores de pressão 118pode incluir dois ou mais sensores de pressão 118, cada umprovendo um sinal de pressão P(t) indicativo de pressão nãopermanente no tubo 124 em uma localização axialcorrespondente X do tubo 124. Por exemplo, o medidor defluxo baseado em sonar 116 pode incluir 2, 3, 4, 5, 6, 7,8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22,23, ou 24 sensores de pressão 118. Geralmente, a acuráciade medição melhora conforme o número de sensores 118 noarranjo 132 aumentar. 0 grau de acurácia provido pelonúmero maior de sensores 118 é deslocado pelo aumento nacomplexidade e tempo para computação do parâmetro de saídadesejado do fluxo. Portanto, o número de sensores 118usados é dependente pelo menos do grau de acurácia desejadoe da taxa de atualização desejada do parâmetro de saídaprovido pelo medidor 116.

Os sinais Pi(t) . . . Pn (t) providos pelos sensores depressão 118 no arranjo 132 são processados pelo processadorde sinal 134, o qual pode ser parte da unidade deprocessamento maior 120. Por exemplo, o processador desinal 134 pode ser um microprocessador e a unidade deprocessador 120 pode ser um computador pessoal ou u outrocomputador de finalidade geral. É contemplado que oprocessador de sinal 134 pode ser qualquer um ou maisdispositivos de processamento de sinal analógicos oudigitais para execução de instruções programadas, tais comoum ou mais microprocessadores ou circuitos integradosespecíficos de aplicação (ASICS), e pode inclui uma memóriapara o armazenamento de instruções programadas, pontos deregulagem, parâmetros e para o armazenamento temporário ouarmazenamento de outra forma de dados. Ainda, deve serapreciado que algumas ou todas as funções na lógica defluxo 136 podem ser implementadas em software (usando-se ummicroprocessador ou um computador) e/ou firmware, ou podemser implementadas usando-se um hardware analógico e/oudigital, tendo memória suficiente, interfaces e capacidadepara realização das funções descritas aqui.

Para determinação da vazão volumétrica QSOnar do fluxode gás úmido 104, o processador de sinal 134 aplica osdados a partir dos sensores de pressão 118 à lógica defluxo 136 executada pelo processador de sinal 134. A lógicade fluxo 13 6 é descrita em maiores detalhes aqui adiante.

Também é contemplado que uma ou mais funções realizadaspelo dispositivo secundário 13 0 do medidor de fluxo depressão diferencial 114 podem ser realizadas peloprocessador de sinal 134. Por exemplo, sinais indicativosde pressão de fluxo de gás a montante e a jusante doorifício 128 podem ser providos para o processador de sinal134, e o processador de sinal 134 pode determinar a vazãovolumétrica Qap- Usando a vazão volumétrica do fluxo de gásúmido 104 determinada pelo medidor de fluxo baseado empressão diferencial 114 (Qap) e a vazão volumétrica dofluxo de gás 104 determinada pelo medidor de fluxo baseadoem sonar 116 (QSOnar), o processador de sinal 134 podedeterminar a umidade, a vazão volumétrica da porção de gáse a vazão volumétrica da porção de líquido do fluxo 104.

Uma medida da umidade do fluxo de gás úmido 104 ou deuma mistura contínua de gás é o número de Lockhartd-Martinelli (LM). 0 número de LM é definido como a raizquadrada da relação do produto de fluxo em massa de líquidovezes a vazão volumétrica de líquido para o produto defluxo em massa de gás vezes a vazão volumétrica de gás, e édado por:

<formula>formula see original document page 17</formula>

onde miiq é o fluxo em massa de líquido, Qnq é a vazãovolumétrica de líquido, piiq é o peso específico do líquido,trigas é o fluxo em massa de gás, Qgas é a vazão volumétrica degás e pgas é o peso específico do gás. 0 medidor de fluxobaseado em pressão diferencial 114 estimará para mais avazão volumétrica do fluxo de gás 104 por uma relação de 1+ aLM, se comparado com o fluxo volumétricô reportado parauma vazão volumétrica equivalente de gás seco. A Figura 5descreve um gráfico desta estimativa para mais (erropositivo de leitura) de um medidor de fluxo baseado emorifício Modelo 1595 de Emerson como uma função do númerode LM e, conforme mostrado, a estimativa para mais é deescala linear com o número de LM.

Em contraste, o medidor de fluxo baseado em sonar 116demonstrou reportar de forma acurada uma vazão volumétricade uma mistura de gás úmida com pouca sensibilidade àumidade. A Figura 3 descreve o desvio entre um medidor defluxo de sonar 116 e uma vazão volumétrica de referênciacomo uma função do número de LM. Conforme mostrado, odesvio é uma função relativamente fraca do número de LM.

Assim sendo:

<formula>formula see original document page 18</formula>

onde Qsonar é a vazão do gás do fluxo 104 .

O medidor de fluxo de sonar 116 e o medidor de fluxode diferencial ("medidor de DP") 114 reportará as mesmasvazões para gases secos, e reportará vazões divergentes comumidade crescente. Assim, a combinação das vazõesvolumétricas Qap e Qsonar a partir do medidor de fluxobaseado em pressão diferencial 114 e do medidor de fluxobaseado em sonar 116 provêem uma medida da vazão e daumidade de um fluxo de gás contínuo 104, o que pode serdeterminado pelo processador de sinal 134 usando asequações:

<formula>formula see original document page 18</formula>ou

<formula>formula see original document page 19</formula>

onde α é um coeficiente de sensibilidade à umidadedeterminado empiricamente que pode ser introduzido porvários fatores, tais como fatores ambientais (isto é,temperatura e/ou pressão) e/ou fatores relacionados aomedidor sendo usado (isto é, uma característica de ummedidor individual ou de um grupo de medidores e/ou datolerância do medidor). Deve ser apreciado que um ponto decalibração pode ser adicionado pelo equacionamento dassaídas do medidor de fluxo baseado em pressão diferencial114 e do medidor de fluxo baseado em sonar 116 durantecondições de fluxo em que o gás é conhecido como estandoseco.

Conforme pode ser apreciado, o LM pode ser determinadousando-se as vazões volumétricas medidas (isto é, Qap eQsonar ) medidas pelo medidor de fluxo de DP 114 e pelomedidor de fluxo de sonar 116, respectivamente, usando-se aEq. 4b. Conhecendo o número de LM e o peso específico dogás e o do líquido, a vazão volumétrica do líquido pode serdeterminada usando-se a Eq. 2 e a Eq. 3.

Embora a estimativa para mais possa ser definida comoa função linear 1 + aLM, alguém apreciará que a invençãocontempla que a estimativa para mais pode ser definida comoqualquer função adequada para a finalidade desejada, talcomo uma função linear, quadrática, polinomial e/oulogarítmica que defina características de estimativa paramais dos medidores, o que será descrito em maiores detalhesaqui adiante. Em outras palavras, qualquer função deestimativa para mais pode ser usada, que se ajuste de formaacurada à saída dos medidores de fluxo 114, 116 pela faixadesejada de números de LM (por exemplo, ajuste de curva).

0 processador de sinal 134 pode extrair o número deLM, as vazões volumétricas 0ΔΡ e/ou Qsonar, a velocidade dasporções de gás e de líquido, ou qualquer combinação dosmesmos, bem como vários outros parâmetros que podem serdeterminados a partir destes valores como um sinal 138. 0sinal 138 pode ser provido para um visor 14 0, para um outrodispositivo de entrada / saída (I/O) 14 2 ou um outrodispositivo de processamento para processamento posterior.

Mais ainda, o dispositivo de I/O 142 pode aceitar tambémparâmetros de entrada de usuário 144, conforme puder sernecessário para a lógica de fluxo 136. A unidade dedispositivo de I/O 142, visor 140 e/ou processador de sinal134 pode ser montada em um alojamento comum, o qual podeser afixado ao arranjo 132 por um cabo flexível, umaconexão sem fio ou similar. O cabo flexível também pode serusado para a provisão de potência de operação a partir daunidade de processamento 120 para o arranjo 132, senecessário.

Deve ser apreciado que a relação do número de LM paraa saída do medidor de fluxo de DP 114 (Qap) e o medidor defluxo de sonar 116 (QSOnar) , conforme descrito aqui adiante,é ilustrada graficamente na Figura 5a. Conforme mostrado, adiferença 250 entre a vazão volumétrica 252 do medidor defluxo de DP 114 e a vazão volumétrica 254 do medidor desonar 116 está relacionada à umidade do fluxo de gás 104, eé dada por 1 + aLM. Embora a descrição para o medidor desonar 116 proveja um sinal de saída representativo davelocidade ou da vazão do gás a ser usado na determinaçãoda umidade, a invenção contempla que qualquer outra saídado medidor de sonar 116, o qual é insensível à umidade,pode ser usada para a determinação da umidade do gás.

Com referência à Figura 4, um diagrama de blocos 2 00descreve um algoritmo para a determinação de pelo menos umdentre a umidade, a vazão volumétrica de líquido e a vazãovolumétrica de gás do fluxo de gás úmido 104 fluindo notubo 124. Uma função de saída de cada um dos medidores defluxo 114, 116 é provida, que é dependente de um parâmetroadimensional relativo à umidade do fluxo 104, conformemostrado no bloco operacional 202. 0 parâmetro adimensional(por exemplo, o número de LM e a relação de fluxo em massade líquido para gás (MR)) é determinado, conforme mostradono bloco operacional 204. Conhecendo o parâmetroadimensional, as vazões volumétricas de gás e de líquido(Qap, Qsonar) são determinadas, conforme mostrado no blocooperacional 206. Isto pode ser realizado pelo uso darelação entre a vazão volumétrica ou a velocidade do fluxo104, obtida pelo medidor de fluxo de sonar, e a vazãovolumétrica ou a velocidade do fluxo obtida pelo medidor defluxo de DP (por exemplo, um medidor de venturi) , onde avazão volumétrica do fluxo de gás úmido 104 obtida pelomedidor de fluxo de sonar, QSOnar, pode ser expressa como:

<formula>formula see original document page 21</formula>

e a vazão volumétrica do fluxo obtida pelo medidor deVenturi, Qventuri/ pode ser expressa como:

<formula>formula see original document page 21</formula>onde α, β e χ são coeficientes de sensibilidade à umidadedeterminados empiricamente, MR é a relação de fluxo emmassa de líquido para gás e Qgas é a vazão volumétrica daporção de gás do fluxo de gás úmido 104. Embora aestimativa para mais do medidor de sonar possa ser definidacomo 1 + aMR e a estimativa para mais do medidor de DP (porexemplo, um medidor de venturi) possa ser definida como 1 +PMR + XMR2, será apreciado que a invenção contempla que aestimativa para mais pode ser definida como qualquer funçãoadequada para a finalidade desejada, tal como uma funçãolinear, quadrática, polinomial e/ou logarítmica que definacaracterísticas de estimativa para mais dos medidores, oque será descrito em maiores detalhes aqui adiante. Maisainda, embora Qsonar seja mostrada como sendo definida pelafunção na Eq. 5 e Qventuri seja mostrada como sendo definidapela função na Eq. 6, deve ser apreciado que Qsonar e Qventuripodem ser definidas por qualquer função adequada para afinalidade desejada, tal como uma função linear,quadrática, polinomial e/ou logarítmica que defina umacaracterística de estimativa para mais do(s) medidor(es),conforme será descrito em maiores detalhes aqui adiante. Emoutras palavras, qualquer função de estimativa para maispode ser usada que se ajuste de forma acurada à saída dosmedidores de fluxo 114, 116 pela faixa desejada de MRs (porexemplo, um ajuste de curva).

O valor para MR pode ser determinado pela resoluçãodas equações acima (Eq. 5 e Eq. 6) para Qgas e oequacionamento das duas equações resultantes, conforme sesegue:

<formula>formula see original document page 22</formula><formula>formula see original document page 23</formula>

Neste ponto, a vazão de gás, Qgas, e a vazão delíquido, Qüq, podem ser determinadas pelo uso das relaçõesa seguir:

<formula>formula see original document page 23</formula>

onde Pga3 é o peso específico do fluxo de gás e piiq é o pesoespecífico do fluxo de líquido.

Deve ser apreciado que a relação da MR para a saída domedidor de fluxo de DP 114 (Qap) e do. medidor de fluxo desonar 116 (Qsonar) , conforme descrito aqui anteriormente, éilustrada graficamente na Figura 5b. Conforme mostrado, adiferença 260 entre a vazão volumétrica 262 do medidor defluxo de DP 114 e a vazão volumétrica 264 do medidor desonar 116 é em relação à umidade do fluxo de gás 104, e édada pela diferença de 1 + pMR + XMR2 e 1 + aMR. Embora adescrição do medidor de fluxo de sonar 116 proveja um sinalde saída representativo da velocidade ou da vazãovolumétrica do gás a ser usado na determinação da umidade,a invenção contempla que qualquer outra saída do medidor defluxo de sonar 116, o qual é insensível à umidade, pode serusada para a determinação da umidade do gás.Adicionalmente, embora o medidor de fluxo de DP 114 sejadescrito como sendo um medidor de venturi, a invençãocontempla que qualquer outro tipo de medidor de fluxo de DPadequado para a finalidade desejada pode ser usado.

Alguém também apreciará que, embora as característicasda saída tenham sido definidas como as vazões volumétricasdos medidores, a presente invenção contempla que ascaracterísticas podem ser definidas por qualquer outrasaída medida pelos medidores de fluxo, tal como velocidadede fluxo, desde que a sensibilidade das saídas à umidadeseja comparável à sensibilidade da vazão volumétricamedida. Em outras palavras, o parâmetro medido do medidorde fluxo de DP 114 é sensível à umidade e a saída medida domedidor de fluxo de sonar 116 é relativamente insensível àumidade do fluxo 104.

Mais ainda, embora a presente invenção defina assaídas do medidor de fluxo de DP 114 e do medidor de fluxode sonar 116 como uma respectiva fórmula a ser resolvida,será apreciado que os dados podem ser providos na forma deuma tabela de consulta para a provisão de vários dentre umparâmetro adimensional (por exemplo, o número de LM, MR) , avazão volumétrica de líquido e a vazão volumétrica de gásdo fluxo 104, em resposta aos parâmetros medidos(velocidade, fluxo volumétrico) dos medidores de fluxo 114, 116.

Com referência à Figura Ib, o aparelho 112 é mostrado,onde a mistura de gás úmido 104 é dirigida para fluir emuma porção de trecho de gás 108 de um separador 102 e olíquido 106 é dirigido para fluir em uma porção de trechode líquido 110 do separador 102. A mistura de gás 104fluindo no trecho de gás 108 inclui gás e transporte delíquido a partir do separador 102. O fluxo de fluido 100 émostrado sendo introduzido em um separador 102, o qualsepara o fluxo de fluido 100 em uma mistura de gás 104 e umlíquido 106, onde a mistura de gás 104 é dirigida parafluir em uma porção de trecho de gás 108 do separador 102 eo líquido 106 é dirigido para fluir em uma porção de trechode líquido 110 do separador 102. A mistura de gás 104fluindo no trecho de gás 108 inclui gás e transporte delíquido a partir do separador 102. Um aparelho 112 éprovido para medição da umidade e da vazão da mistura degás 104 e pode incluir um medidor de fluxo de diferencial("medidor de DP") 114 e um medidor de fluxo de sonar 116tendo um arranjo de sensores baseados em deformação 118,onde a combinação do medidor de DP 114 e do medidor defluxo de sonar 116 provê medições de vazão para umprocessador de fluxo de saída de separador 120. Conformedescrito em maiores detalhes aqui adiante, usando-se asmedições do medidor de DP 114 e do medidor de fluxo desonar 116, o processador de fluxo de saída de separador 120determina a umidade da mistura de gás 104 no trecho de gás108, bem como a vazão volumétrica do gás e a vazãovolumétrica do transporte de líquido. A vazão volumétricados componentes do transporte de líquido (isto é, óleo eágua) pode ser determinada assumindo-se um corte de águaconhecido ou típico (ou fração de fase) ou pelo uso docorte de água medido, conforme pode ser provido por ummedidor de fluxo de líquido 122 disposto na porção detrecho de líquido 110 do separador 102.

A porção de separador de gás / líquido 102 é um itemde equipamento de produção usado para a separação decomponentes líquidos de uma corrente de fluido de entrada100 a partir de quaisquer componentes gasosos. Oscomponentes líquidos e gasosos fluem a partir da porção deseparador 102 em tubos (trechos) separados 124 e 126, com otrecho 124 contendo o componente gasoso 104 e o trecho 126contendo o componente líquido 106. 0 trecho de líquido 126pode incluir o medidor de fluxo de líquido 122, o qual medea vazão volumétrica do líquido 106 fluindo através dali.Embora a porção de separador 102 seja descrito como um vasovertical, a porção de separador de gás / líquido 102 podeser qualquer dispositivo para separação de gás de um oumais líquidos. Por exemplo, a porção de separador 102 podeincluir um vaso cilíndrico ou esférico, e pode serposicionado horizontal ou verticalmente. Mais ainda, aporção de separador 102 pode usar segregação por gravidade,separação centrífuga, separação por ciclone ou quaisqueroutros meios conhecidos para a realização da separação, epode incluir um ou mais estágios.

Deve ser apreciado que o medidor de fluxo de sonar 116pode compreender uma pluralidade de sensores ultra-sônicos118 para a provisão de um sinal de saída, por exemplo, umamedição de velocidade. O medidor de fluxo de sonar ultra-sônico 116 é similar àquele descrito no Pedido de PatenteU.S. N0 10/756.977 (Protocolo Legal N0 CC-0700) depositadoem 13 de janeiro de 2004 e no Pedido de Patente U.S. N010/964.043 (Protocolo Legal N0 CC-0778), depositado em 12de outubro de 2004, os quais são incorporados aqui comoreferência.

Deve ser apreciado, ainda, que os sensores 118 tambémpodem incluir medidores de deformação (strain gages)elétricos, fibras óticas e/ou retículos, sensores comporta, dentre outros, conforme descrito aqui, e podem serafixados ao tubo 124 por adesivo, cola, epóxi, fita ououtro meio de afixação adequado para se garantir um contatoadequado entre o sensor e o tubo 124. Adicionalmente, ossensores 118 podem ser alternativamente removíveis ouafixados permanentemente através de técnicas mecânicasconhecidas, tais como prendedor mecânico, carregado pormola, grampeados, em um arranjo de concha de molusco, porcorreias ou outros equivalentes. Alternativamente,medidores de deformação, incluindo fibras óticas e/ouretículos, podem ser embutidos em um tubo compósito 124. Sedesejado, para certas aplicações, retículos podem serdestacados (ou deformados ou isolados acusticamente) dotubo 124, se desejado. Também é contemplado que qualqueroutra técnica de detecção de deformação pode ser usada paraa medição das variações na deformação no tubo 124, taiscomo medidores de deformação altamente sensíveispiezoelétricos, eletrônicos ou elétricos afixados a ouembutidos no tubo 124.

Em várias modalidades da presente invenção, umtransdutor de pressão piezoelétrico pode ser usado como umou mais dos sensores de pressão 118 e pode medir asvariações de pressão não permanentes (ou dinâmicas ou AC)dentro do tubo 124 pela medição dos níveis de pressãodentro do tubo 124. Em uma modalidade da presente invenção,os sensores 118 compreendem sensores de pressão fabricadospela PCB Piezotronics de Depew, New York. Por exemplo, emum sensor de pressão há sensores do tipo de modo devoltagem piezoelétrico de circuito integrado quecaracterizam amplificadores microeletrônicos embutidos, econvertem a carga de impedância alta em uma saída devoltagem de impedância baixa. Especificamente, um Modelo106B fabricado pela PCB Piezotronics é usado, o qual é umsensor de pressão de quartzo piezoelétrico de circuitointegrado de aceleração compensada de alta sensibilidadeadequado para a medição de fenômenos acústicos de baixapressão em sistemas hidráulicos e pneumáticos. Ele tem acapacidade única de medir pequenas mudanças de pressão demenos de 0,001 psi (6,895 Pa) sob condições de estáticaalta. 0 106B tem uma sensibilidade de 300 mV/psi (1 psi =6,8 95 kPa) e uma resolução de 91 dB (0,68 9 Pa). Os sensores118 podem incorporar um amplificador microeletrônico MOSFETembutido para conversão da saída de carga de impedânciaalta em um sinal de voltagem de impedância baixa. Ossensores 118 podem ser ativados a partir de uma fonte decorrente constante e podem operar por um cabo coaxial ou defita longo, sem degradação de sinal. 0 sinal de voltagem deimpedância baixa não é afetado por um ruído de cabotriboelétrico ou por contaminantes de degradação deresistência de isolamento. A potência para operação dossensores piezoelétricos de circuito integrado geralmenteassume a forma de um suprimento de corrente constante debaixo custo, de 24 a 27 VDC, de 2 a 20 mA.

A maioria dos sensores de pressão piezoelétricos éconstruída com cristais de quartzo de modo de compressãopré-carregados em um alojamento rígido ou cristais deturmalina não restritos. Estes projetos proporcionam aossensores tempos de resposta de microssegundo e freqüênciasressonantes nas centenas de kHz, com um excesso mínimo ousom. Diâmetros de diafragma pequeno asseguram uma resoluçãoespacial de ondas de choque estreitas. A característica desaída de sistemas de sensor de pressão piezoelétricos éaquela de um sistema acoplado AC, onde sinais repetitivosdecaem até haver uma área igual acima e abaixo da linha debase original. Conforme os níveis de magnitude do eventomonitorado flutuam, a saída permanece estabilizada em tornoda linha de base com as áreas positivas e negativas dacurva permanecendo iguais. Mais ainda, é contemplado quecada um dos sensores 118 pode incluir o sensorpiezoelétrico que provê um material piezoelétrico para amedição das pressões não permanentes do fluxo 104. 0material piezoelétrico, tal como um polímero, umfluoropolímero polarizado, PVDF, mede a deformação induzidano tubo de processo 124, devido a variações de pressão nãopermanente dentro do fluxo 104. Uma deformação no tubo 124é traduzida para uma voltagem ou corrente de saída pelossensores piezoelétricos afixados 118.

O material de PVDF que forma cada sensor piezoelétrico118 pode ser aderido à superfície externa de uma cinta deaço que se estende em torno e se grampeia na superfícieexterna do tubo 124. 0 elemento de detecção piezoelétricotipicamente se conforma à medida circunferencial completaou aproximadamente completa de deformação induzida. Ossensores podem ser formados a partir de filmes de PVDF,filmes de copolímero ou sensores PZT flexíveis, similaresàqueles descritos em "Piezo Film Sensors Technical Manual",provido pela Measurement Specialties, Inc., de Fairfield,New Jersey, o qual é incorporado aqui como referência. Asvantagens desta técnica são as seguintes:

1. Medições de vazão não intrusivas;

2. Custo baixo;

3. A técnica de medição não requer uma fonte deexcitação. 0 ruído de fluxo ambiente é usado como umafonte;

4. Sensores piezoelétricos flexíveis podem sermontados em uma variedade de configurações para melhoriados esquemas de detecção de sinal. Estas configuraçõesincluem a) sensores co-localizados, b) sensores segmentadoscom configurações de polaridade oposta, c) sensores largospara melhoria da detecção de sinal acústico e minimizaçãode detecção de ruído de vórtice, d) geometrias talhadas desensor para minimização da sensibilidade a modos de tubo,e) diferenciação de sensores para eliminação de ruídoacústico de sinais de vórtice; e

5. Temperaturas mais altas (140 °C) (copolímeros).Lógica de Fluxo

Processamento de Velocidade

Conforme descrito na Patente U.S. N0 6.609.069comumente possuída de Gysling, intitulada "Method andApparatus for Determining the Flow Velocity Within a Pipe",a qual é incorporada aqui como referência em suatotalidade, as pressões não permanentes ao longo de um tubo124 causadas por estruturas coerentes (por exemplo,rodamoinhos turbulentos e perturbações de vórtice) quecriam convecção com um fluido (por exemplo, o fluxo de gás104) fluindo no tubo 124, contêm uma informação útilreferente a parâmetros do fluido.

Com referência à Figura 6, um exemplo da lógica defluxo 13 6 é mostrado. Conforme descrito previamente, oarranjo 132 de pelo menos dois sensores 118 localizados emduas localizações Xi, x2 axialmente ao longo do tubo 124detectam respectivos sinais estocásticos se propagandoentre os sensores 118 dentro do tubo 124 em suasrespectivas localizações. Cada sensor 118 provê um sinalindicando uma pressão não permanente na localização de cadasensor 118, em cada instante em uma série de instantes deamostragem. Será apreciado que o arranjo 132 pode incluirmais de dois sensores 118 distribuídos nas localizaçõesXi...xN. A pressão gerada pelas perturbações de pressãoconvectiva (por exemplo, rodamoinhos 146, veja a Figura 7)pode ser medida através dos sensores 118, os quais podemser sensores baseados em deformação e/ou sensores depressão. Os sensores 118 provêem sinais que variam no tempode pressão analógicos Pi(t), P2(t), P3(t)... PN(t) para oprocessador de sinal 134, o qual, por sua vez, aplica estessinais Pi (t) , P2 (t) , P3 (t) . . . Pn (t) a lógica de fluxo 136.A lógica de fluxo 136 processa os sinais Pi (t), P2 (t),P3 (t) ... PN(t) para primeiramente proverem sinais de saída(parâmetros) indicativos das perturbações de pressão quecriam convecção com o fluido (gás) 104 e, subseqüentemente,provêem sinais de saída em resposta a perturbações depressão geradas por ondas convectivas se propagando atravésdo fluido 104, tais como velocidade, número de Mach e vazãovolumétrica do fluido 104.

O processador de sinal 134 inclui uma unidade deaquisição de dados 148 (por exemplo, um conversor A/D) queconverte os sinais analógicos P1 (t) . . . Pn (t) em respectivossinais digitais e provê os sinais digitais P1 (t) . . . Pn (t)para a lógica de FFT 150. A lógica de FFT 150 calcula atransformada de Fourier dos sinais de entrada baseados notempo digitalizados P1 (t) . . . Pn (t) e provê sinais de domíniode freqüência complexos (ou baseados em freqüência) P1(Q),P2 (ω), P3 (ω) , ΡΝ(ω) indicativos do conteúdo de freqüênciados sinais de entrada para um acumulador de dados 152. Aoinvés de FFT's, qualquer outra técnica para a obtenção dascaracterísticas de domínio de freqüência dos sinaisP1 (t) . . . Pn (t) também pode ser usada. Por exemplo, adensidade espectral cruzada e a densidade espectral depotência podem ser usadas para a formação de funções detransferência de domínio de freqüência (ou resposta defreqüência ou relações) discutidas aqui adiante. Umatécnica de determinação da velocidade de convecção dosrodamoinhos turbulentos 14 6 no fluido 104 é pelacaracterização de uma crista convectiva (154 na Figura 8)das pressões não permanentes resultantes usando-se umarranjo de sensores ou outras técnicas de formação defeixe, similar ao que é descrito no Pedido de Patente U.S.N0 de Série (Protocolo da Cidra N0 CC-0122A) e no Pedido dePatente U.S. N0 de Série 09/729.994 (Protocolo da Cidra N0CC-0297), depositado em 4 de dezembro de 2000, agora U.S.6.609.069, os quais são incorporados aqui como referência.

0 acumulador de dados 152 acumula os sinais defreqüência P1(Q) - Pn(ω) por um intervalo de amostragem, eprovê os dados para um processador de arranjo 156, o qualrealiza uma transformada espacial - temporal(bidimensional) dos dados de sensor, a partir do domíniox(t) para o domínio k-ω e, então, calcula a potência noplano k-ω, conforme representado por um gráfico k-ω, e,então, calcula a potência no plano k-ω, conformerepresentado pelo gráfico k-ω mostrado na Figura 8. 0processador de arranjo 156 usa um processamento de arranjode formação de feixe assim denominado padrão ou algoritmosde processamento de arranjo adaptativos, isto é, algoritmospara o processamento dos sinais de sensor usando-se váriosatrasos e cálculo de peso para a criação de relações defase adequadas entre os sinais providos pelos diferentessensores, desse modo se criando uma funcionalidade dearranjo de antena em fase. Em outras palavras, osalgoritmos de formação de feixe ou de processamento dearranjo transformam os sinais de domínio de tempo doarranjo de sensor em suas componentes de freqüênciaespacial e temporal, isto é, em um conjunto de números deonda dado por k = 2π/λ, onde λ é o comprimento de onda deuma componente espectral e as freqüências angularescorrespondentes dadas por ω = 2πν.

Deve ser apreciado que a técnica anterior ensinamuitos algoritmos para uso na decomposição espacial etemporal de um sinal a partir de um arranjo em fase desensores, e a presente invenção não está restrita aqualquer algoritmo em particular. Um algoritmo deprocessamento de arranjo adaptativo em particular é ométodo / algoritmo de Capon. Embora o método de Capon sejadescrito como um método, a presente invenção contempla ouso de outros algoritmos de processamento de arranjoadaptativo, tal como o algoritmo MUSIC. A presente invençãoreconhece que essas técnicas podem ser usadas para adeterminação de vazão, isto é, os sinais causados por umparâmetro estocástico em convecção com um fluxo sãoestacionários no tempo e têm um comprimento de coerêncialongo o bastante que é prático para a localização deunidades de sensor espaçadas umas das outras e aindaestando dentro do comprimento coerente. As característicasou parâmetros convectivos têm uma relação de dispersão quepode ser aproximada por uma equação de linha reta:

κ = ω / u, (Eq. 13)

onde u é a velocidade de convecção (velocidade defluxo) . Um gráfico de pares k-co obtidos a partir de umaanálise espectral de amostras de sensor associadas aosparâmetros convectivos retratados de modo que a energia daperturbação espectralmente correspondente aos pares quepoderiam ser descritos como uma crista substancialmentereta, uma crista que na teoria de camada limite turbulentaé denominada uma crista convectiva. Aquilo que está sendodetectado não são eventos discretos de rodamoinhosturbulentos 164, mas, ao invés disso, um contínuo deeventos possivelmente sobrepostos formando um processoessencialmente branco estacionário temporalmente pela faixade freqüência de interesse. Em outras palavras, osrodamoinhos convectivos 146 são distribuídos por uma faixade escalas de comprimento e, daí, freqüências temporais.

Para o cálculo da potência no plano k-ω, conformerepresentado por um gráfico k-ω (veja a Figura 8) dequalquer um dos sinais, o processador de arranjo 156determina o comprimento de onda e, então, o número de onda(espacial) k e, também, a freqüência (temporal) e, então, af angular ω, das várias componentes espectrais doparâmetro estocástico. Há numerosos algoritmos disponíveisno domínio público para a realização da decomposiçãoespacial / temporal dos arranjos de sensores 118. Apresente invenção pode usar uma filtração temporal eespacial para pré-condicionar os sinais para efetivamentefiltrarem as características de modo COmum Pcommon mode βoutras características de comprimento de onda longo(comparadas ao espaçamento de sensor) no tubo 124 pordiferenciação de sensores adjacentes 118 e retenção de umaporção substancial do parâmetro estocástico associado aocampo de fluxo e quaisquer outros parâmetros estocásticosde freqüência baixa de comprimento de onda curto (comparadoao espaçamento de sensor) . No caso de rodamoinhosturbulentos adequados 14 6 (veja a Figura 7) estarempresentes, a potência no plano k-ω mostrada em um gráficok-ω da Figura 8 mostra uma crista convectiva 154. A cristaconvectiva representa a concentração de um parâmetroestocástico que cria convecção com o fluxo e é umamanifestação matemática da relação entre as variaçõesespaciais e as variações temporais descritas acima. Umgráfico como esse indicará uma tendência de pares k-ωaparecerem mais ou menos ao longo de uma linha 154 comalguma inclinação, a inclinação indicando a velocidade dofluxo.

Uma vez que a potência no plano k-ω seja determinada,um identificador de crista convectiva 158 usa um ou outrométodo de extração de recurso para a determinação dalocalização e da orientação (inclinação) de qualquer cristaconvectiva 154 presente no plano k-ω. Em uma modalidade,um assim denominado método de empilhamento enviesado éusado, um método no qual as freqüências acumuladas de paresk-ω no gráfico k-ω ao longo de raios diferentes emanando apartir da origem são comparadas, cada raio diferenteestando associado a uma velocidade de convecção detentativa diferente (pelo fato de a inclinação de um raioser assumida como sendo a velocidade de fluxo ou estandocorrelacionada à velocidade de fluxo de uma formaconhecida). 0 identificador de crista convectiva 158 provêuma informação sobre as velocidades de convecção detentativa diferentes, uma informação referida geralmentecomo uma informação de crista convectiva para um analisador160. O analisador 160 então examina a informação de cristaconvectiva incluindo a orientação de crista convectiva(inclinação). Assumindo que a relação de dispersão de linhareta seja dada por κ = ω/u, o analisador 160 determina avelocidade de fluxo, o número de Mach e/ou o fluxovolumétrico, os quais são extraídos como sinais 138. Ofluxo volumétrico é determinado pela multiplicação da áreade seção transversal do interior do tubo 124 pelavelocidade do fluxo de processo.

Velocidade de Som (SOS)

Conforme mostrado na Figura 9, a Lógica de SOS 270inclui uma unidade de aquisição de dados 272 que digitalizaos sinais de pressão Pi (t) a Pn (t) associados às ondasacústicas 274 se propagando através do tubo 124. De modosimilar à lógica de FFT 150 na Figura 7, uma lógica de FFT276 calcula uma transformada de Fourier dos sinais deentrada baseados no tempo digitalizados Pi (t) a PN(t) eprovê sinais de domínio de freqüência (ou baseados emfreqüência) complexos Ρι(ω), P2 (ω), P3 (ω), ΡΝ(ω)indicativos do conteúdo de freqüência dos sinais deentrada. Um acumulador de dados 278 acumula os sinais Pi (t)a Pn(t) a partir dos sensores, e provê os dados acumuladospor um intervalo de amostragem para um processador dearranjo 280, o qual realiza uma transformada espacial -temporal (bidimensional) dos dados de sensor, a partir dodomínio x-t para o domínio κ-ω e, então, calcula apotência no plano κ-ω, conforme representado pelo gráficoκ-ω, similar àquele provido pelo processador de arranjoconvectivo 156. Para o cálculo da potência no plano κ-ω,conforme representado por um gráfico κ-ω (veja a Figura10) de qualquer um dos sinais ou dos sinais diferenciados,o processador de arranjo 28 0 determina o comprimento deonda e, como tal, o número de onda (espacial) κ e, também,a freqüência (temporal) e, como tal, a freqüência angularω de várias das componentes espectrais do parâmetroestocástico. Há numerosos algoritmos disponíveis no domíniopúblico para a realização da decomposição espacial /temporal do arranjo de sensores de pressão 118.

No caso de ondas acústicas adequadas 274 estarempresentes em ambas as direções axiais, a potência no planoκ-ω mostrada em um gráfico κ-ω da Figura 10 assimdeterminada exibirá uma estrutura que é denominada umacrista acústica 296, 298 em ambos os planos esquerdo edireito do gráfico, onde uma das cristas acústicas 296 éindicativa da velocidade do som viajando em uma direçãoaxial e a outra crista acústica 298 sendo indicativa davelocidade do som viajando na outra direção axial. Ascristas acústicas 296, 298 representam a concentração de umparâmetro estocástico que se propaga através do fluxo 102 eé uma manifestação matemática da relação entre as variaçõesespaciais e as variações temporais descritas acima. Umgráfico como esse indicará uma tendência de pares κ-ωaparecerem mais ou menos ao longo de uma linha 297, 299 comalguma inclinação, a inclinação indicando a velocidade dosom. A potência no plano κ-ω assim determinada é provida,então, para um identificador de crista acústica 282, o qualusa um ou outro método de extração de recurso paradeterminar a localização e a orientação (inclinação) dequalquer crista acústica 296, 298 presente no plano κ-ωesquerdo e direito. A velocidade pode ser determinada pelouso da inclinação de uma das duas cristas acústicas 296,298 ou pelo cálculo da média das inclinações das cristasacústicas 296, 298.

Finalmente, uma informação incluindo a orientação decrista acústica (inclinação) é usada por um analisador 284para a determinação dos parâmetros de fluxo relativos àvelocidade de som medida, tais como a consistência ou acomposição do fluxo, o peso especifico do fluxo, o tamanhomédio de partículas no fluxo, a relação ar /a massa dofluxo, a fração em volume de gás do fluxo, a velocidade desom se propagando através do fluxo e/ou a percentagem de arentranhado no fluxo.

De modo similar ao processador de arranjo 156, oprocessador de arranjo 280 usa um assim denominadoprocessamento de arranjo de formação de feixe padrão oualgoritmos de processamento de arranjo adaptativos, isto é,algoritmos para o processamento dos sinais de sensorusando-se vários atrasos e cálculo de peso para a criaçãode relações de fase adequadas entre os sinais providospelos diferentes sensores, · desse modo se criando umafuncionalidade de arranjo de antena em fase. Em outraspalavras, os algoritmos de formação de feixe ou deprocessamento de arranjo transformam os sinais de domíniode tempo do arranjo de sensor em suas componentes defreqüência espacial e temporal, isto é, em um conjunto denúmeros de onda dado por κ = 2π/λ, onde λ é o comprimentode onda de uma componente espectral e as freqüênciasangulares correspondentes dadas por ω = 2πν.

Uma técnica como essa de determinação da velocidade dosom se propagando através corrente de fluido 104 é pelo usode técnicas de processamento de arranjo para a definição deuma crista acústica no plano κ-ω, conforme mostrado naFigura 10. A inclinação da crista acústica é indicativa davelocidade do som se propagando através da corrente defluido 104. A velocidade do som (SOS) é determinada pelaaplicação de técnicas de processamento de arranjo de sonarpara a determinação da velocidade na qual as ondasacústicas unidimensionais se propagam diante do arranjoaxial de medições de pressão não permanente distribuídas aolongo do tubo 124.

O medidor de fluxo de sonar 116 da presente invençãomede a velocidade do som (SOS) de ondas acústicasunidimensionais se propagando através da mistura 102 para adeterminação da fração de volume de gás da mistura. Esabido que o som se propaga através de vários meios avárias velocidades, nesses campos, tais como campos deSONAR e RADAR. A velocidade do som se propagando através dotubo 124 e da corrente de fluido 104 pode ser determinadausando-se várias técnicas conhecidas, tais como aquelasestabelecidas no Pedido de Patente U.S. N° de Série09/344.094, depositado em 25 de junho de 1999, agora U.S.6.354.147; Pedido de Patente U.S. N0 de Série 10/795.111,depositado em 4 de março de 2004; Pedido de Patente U.S. N0de Série 09/997.221, depositado em 28 de novembro de 2001,agora U.S. 6.587.798; Pedido de Patente U.S. N0 de Série10/007.749, depositado em 7 de novembro de 2001 e Pedido dePatente U.S. N0 de Série 10/762.410, depositado em 21 dejaneiro de 2004, cada um dos quais sendo incorporado aquicomo referência.

Embora um medidor de fluxo baseado em sonar usando umarranjo de sensores 118 para a medição da velocidade de somde uma onda acústica se propagando através da mistura 104seja mostrado e descrito, alguém apreciará que qualquermeio para a medição da velocidade de som da onda acústicapode ser usado para a determinação da fração em volume degás entranhado da mistura / do fluido ou outrascaracterísticas do fluxo descrito aqui antes.

O medidor de GVF pode empregar qualquer técnica quemeça a velocidade do som de um fluido. Contudo, éparticularmente sinérgico com medidores, tal como descritono Pedido de Patente U.S. N0 de Série (Protocolo da CidraN0 CC- 0122A) e no Pedido de Patente U.S. N0 de Série09/729.994 (Protocolo da Cidra N0 CC-0297), depositado em 4de dezembro de 2000, agora U.S. 6.609.069, os quais sãoincorporados aqui como referência, pelo fato de a mediçãoda velocidade do som e, assim, a medição de fração emvolume de gás poderem ser realizadas usando-se o mesmohardware que aquele usado para uma medição de fluxovolumétrico. Deve ser notado, contudo, que a medição defração em volume de gás poderia ser realizadaindependentemente de uma medição de fluxo volumétricô, eteria utilidade como uma medição de processo importante emisolamento ou em conjunto com outras medições de processo.A Publicação de Pedido de Patente U.S. N0 2004/0255695publicada em 23 de dezembro de 2004, a Publicação de Pedidode Patente U.S. N°2005/0044929 publicada em 3 de março de2005, e a Publicação de Pedido de Patente U.S.N02005/0061060 publicada em 24 de março de 2005, as quaissão todas incorporadas como referência aqui, tambémdescrevem exemplos desses medidores.

Um sensor de pressão e/ou um sensor de temperaturamedem a pressão e/ou a temperatura do liquido.Alternativamente, a pressão e/ou a temperatura podem serestimadas ao invés de realmente medidas. Em resposta àvelocidade de som medida, e à pressão e à temperatura, oprocessador de sinal determina a GVF do liquido.

Com referência à Figura 11, um diagrama esquemático deuma modalidade adicional de um aparelho 112 para medição deumidade e vazão volumétrica de um fluxo de gás 104 em umtubo 124 é mostrada, onde o medidor de sonar 116 é dispostoa jusante do medidor de DP 114 de acordo com a presenteinvenção. O medidor de sonar 116 colocado a montante domedidor de DP 114 vantajosamente provê um fluxo de gás elíquido bem misturado 104 a ser medido pelo medidor desonar 116. Deve ser apreciado que algumas ou todas asfunções dentro da lógica de fluxo 136 podem serimplementadas em software (usando-se um microprocessador ouum computador) e/ou um firmware, ou pode ser implementadausando-se um hardware analógico e/ou digital, tendo memóriasuficiente, interfaces e capacidade para realização dasfunções descritas aqui.

Conforme sugerido aqui antes, o medidor de sonar 116pode compreender uma pluralidade de sensores ultra-sônicos118 para a provisão de um sinal de saída Pn(t) , porexemplo, uma medição de velocidade. 0 medidor de fluxo desonar ultra-sônico 116 é similar àquilo descrito no Pedidode Patente U.S. N0 10/756.977 (Protocolo Legal N0 CC-0700)depositado em 13 de janeiro de 2004 e no Pedido de PatenteU.S. N0 10/964.043 (Protocolo Legal N0 CC-0778), depositadoem 12 de outubro de 2004, os quais são incorporados aquicomo referência. Mais ainda, deve ser apreciado que omedidor de sonar 116 pode ser substituído por um medidor desensor ultra-sônico que use qualquer um dos tipos demedidores a seguir: um Medidor de Fluxo Ultra-sônico deTempo de Trânsito (TTUF), um Medidor de Fluxo Ultra-sônicode Doppler (DUF) e um Medidor de Fluxo Ultra-sônico deCorrelação Cruzada (CCUF), similares àquilo descrito noartigo "Guidelines for the Use of Ultrasonic Non-InvasiveMetering Techniques" de M.L. Sanderson e H.Yeung, publicadoem 17 de julho de 2002, o qual é incorporado aqui comoreferência. Um CCUF como esse fabricado pela GE PanametricsDigitalFlow™ CTF878, um medidor de fluxo que tem um par desensores ultra-sônicos dispostos axialmente ao longo dotubo, o qual é incorporado aqui como referência.

Embora os medidores 116 (por exemplo, medidor de sonare medidor ultra-sônico) combinados com o medidor dediferencial 114 incluam um medidor de sonar e um medidorultra-sônico, a presente invenção contempla que qualquermedidor e/ou combinação de medidores adequados para afinalidade desejada possa ser usado, de modo que osmedidores provejam uma medição de saída tendo uma funçãorepetível de estimativa para mais (ou sinal de saída) comrespeito à umidade do fluxo 104, onde a estimativa paramais é substancialmente menor do que a estimativa para maisdo medidor de DP 114. Quanto maior a diferença naestimativa para mais entre o medidor 116 e o medidor de DP114, maior a acurácia e a resolução da medição de umidade.

Com referência à Figura 12, uma primeira modalidade domedidor multifásico 300 tendo uma porção de separador 102de acordo com a presente invenção é ilustrada para aprovisão de saídas que incluem a fração de fase de cada umadas fases do fluxo de fluido 100 e a vazão volumétrica decada uma das fases. A fase do fluido 100 pode compreenderuma mistura de gás e líquido ou uma mistura de líquido -líquido - gás (tal como óleo, gás e água) na forma de umamistura de gás úmido. O medidor de fluxo 3 00 inclui um tubode desvio 3 02 para separação da mistura de gás úmido em umfluxo de líquido 106 e um fluxo de gás 104, onde a porçãode líquido 106 da mistura 100 flui através do tubo dedesvio 302 e a porção de gás 104 da mistura 100 (a qualinclui algumas gotículas de líquido ou névoa) flui atravésde um tubo primário 3 04. Deve ser apreciado que o tubo dedesvio 302 pode inclui uma área de seção transversal menordo que o tubo primário 3 04, de modo a acomodar a quantidademenor de líquido no fluxo 100. De modo similar àquilodescrito aqui antes, o medidor de fluxo 3 02 pode incluir ummedidor de DP 3 08 e um medidor de fluxo de sonar 310 para aprovisão de uma vazão volumétrica e de uma fração de fasepara cada uma das fases passando através do tubo primário304, conforme descrito aqui antes. Um processador 312 aindaadiciona à estas saídas a quantidade de líquido fluindoatravés do tubo de desvio 302. Assumindo que o fluidofluindo através do tubo de desvio 302 seja todo líquido, esabendo que a pressão diferencial através do tubo de desvio302 é a mesma que o diferencial do medidor de DP 308, avazão e, daí, a vazão volumétrica podem ser determinadas.

Com referência à Figura 13, uma segunda modalidade deum medidor de fluxo 350 é mostrada e é similar àquelailustrada na Figura 12, com exceção de um segundo medidorde DP 352 ser provido após a recombinação dos fluxosseparados 104, 106. O segundo medidor de DP 352 pode sersimilar ao medidor de DP 308 no tubo primário 304, tal comouma placa de orifício, um medidor de cone (por exemplo,venturi) ou um dispositivo similar para a provisão de umadiferença de pressão através do dispositivo.

Alternativamente, o medidor de DP 352 pode ser diferente, oque provera uma informação adicional para a caracterizaçãoe a medição do fluxo 100. 0 segundo medidor de DP ouadicionado 352 pode prover um meio para a medição e acaracterização do fluxo 106 passando através do tubo dedesvio 302. Conforme mostrado na Figura 14, a umidade dofluido pode ser medida no tubo primário 3 04 e no tubo desaída 124 após os fluxos 104, 106 serem recombinados. Estadiferença na umidade nestas localizações permite a mediçãoda fração de fase do fluxo de fluido 100.

Com referência à Figura 15, uma terceira modalidade deum medidor de fluxo 400 é ilustrada, onde o medidor defluxo 400 inclui um medidor de fluxo 402 disposto paramedir diretamente a vazão do líquido fluindo dentro do tubode desvio 302. O medidor de fluxo 402 pode ser qualquermedidor de fluxo conhecido na técnica. O medidor de fluxo400 provê uma medição mais direta do fluxo 106 através dotubo de desvio 302.

Com referência à Figura 16, uma quarta modalidade deum medidor de fluxo 450 é ilustrada, onde o medidor defluxo 450 inclui um medidor de SOS 452 que mede avelocidade do som de uma onda de som unidimensional sepropagando longitudinalmente através do tubo de desvio 302.O medidor de SOS 450 pode compreender um arranjo desensores dispostos ao longo do tubo 302, similar àquilodescrito na Patente U.S. N0 6.354.147, depositada em 25 dejunho de 1999, na Patente U.S. N0 6.587.798, depositada em28 de novembro de 2001, e no Pedido de Patente U.S. N010/762.410, depositado em 21 de janeiro de 2004, os quaissão incorporados aqui como referência, conforme descritoaqui anteriormente. Sabendo-se a velocidade do som do fluxode fluido 106, a composição do fluido fluindo através dotubo de desvio 302 pode ser determinada. O medidor de SOS452 pode determinar quando um líquido está presente. Seassim for, o medidor de fluxo 450 sabe quando um fluidoestá fluindo através do tubo de desvio 302 e funciona ouprocessa os dados, conforme discutido para o medidor defluxo ilustrado aqui acima. Se o medidor de SOS 452detectar gás, a unidade de processamento 454 poderácorrigir ou ajustar a medição de saída para o ar passandoatravés do tubo de desvio 302. Alternativamente, o medidorde SOS 452 pode ser uma combinação de medidor de SOS 452 eum medidor de fluxo similar àquele descrito no Pedido dePatente U.S. N0 10/875.857, depositado em 24 de junho de2004, o qual é incorporado aqui como referência, para aprovisão de uma informação adicional ou de uma medição dofluido no tubo de desvio 302, para a provisão de umamedição mais acurada. Especificamente, a combinação demedidor de SOS e medidor de fluxo compreende um arranjo desensores (por exemplo, sensores baseados em deformação) , osquais detectam parâmetros que criam convecção com o fluxo eas ondas acústicas se propagando através do fluxo. Ossinais de pressão são processados pelo processador deacordo com a velocidade e a lógica de SOS descrita aquiantes para a provisão de velocidade, vazão volumétrica, SOSe fração em volume de gás.

Com referência à Figura 17, uma quinta modalidade deum medidor de fluxo 500 é ilustrada, onde o medidor defluxo 500 pode prover uma medição multifásica de umamistura de líquido - líquido - gás (por exemplo, umamistura de óleo, água e gás) fluindo no tubo 124. 0 medidorde fluxo 500 inclui um medidor de corte de água 502disposto no tubo de desvio 3 02 para a determinação dafração de fase da água no tubo de desvio 302. Assumindo queo tubo 3 02 esteja cheio de líquido, o medidor de corte deágua 502 provê uma fração de fase da mistura de água e óleono tubo de desvio 3 02. Sabendo esta fração de fase do óleoe da água no tubo de desvio 3 02, a vazão volumétrica e afração de fase de cada uma das fases da mistura 100 podeser determinada. As Figuras 18 e 19 ilustram dispositivosespecíficos que podem ser usados para a determinação docorte de água no tubo de desvio 302. A Figura 18 mostra umdensímetro 504 para determinação do corte de água. Sabendo-se o peso específico de água e óleo, o peso específicomedido da mistura de óleo / água pelo tubo de desvio 302pode ser usado para a determinação da fração de fase doóleo e da água, conforme é conhecido na técnica. A Figura19 mostra um sensor ultra-sônico 506 para a determinação docorte de água, conforme descrito no Pedido de Patente U.S.N° (Protocolo Legal N0 CC-0842), depositado em 10 dejaneiro de 2006, o qual é incorporado aqui como referência.

Especificamente, o tempo de trânsito medido do sinalultra-sônico é indicativo da velocidade do som do líquido.A freqüência do sinal ultra-sônico se propagando através dofluido é maior do que a freqüência ressonante de bolha, demodo que um gás entranhado não afeta o sinal ultra-sônico.Sabendo-se a SOS da porção de líquido do fluxo de fluido, afração de fase da água pode ser determinada. A fração defase da água é uma função da SOS do líquido, da SOS doóleo, da SOS da água, do peso específico do óleo e do pesoespecífico da água. Sabendo-se a SOS e o peso específico doóleo e da água, a relação entre a fração de fase (porexemplo, corte de água) do fluido 12 e a SOS do líquido éconhecida. Esta relação pode ser ilustrada no gráfico deSOS do líquido versus corte de água e, portanto,conhecendo-se a SOS do líquido, o corte de água pode serdeterminado.

Embora cada um dos seus 506 da Fig. 19 compreenda umpar de sensores ultra-sônicos (transmissor e receptor)diametralmente opostos para a provisão de transmissãoatravés dali, a presente invenção contempla que um dossensores ultra-sônicos pode ser deslocado axialmente, demodo que o sinal ultra-sônico do sensor transmissor tenhauma componente axial em sua direção de propagação.A presente invenção também contempla que o sensorultra-sônico 506 pode ser configurado em uma configuraçãode pulso / eco. Nesta modalidade, o sensor ultra-sônicocompreende um sensor ultra-sônico que transmite um sinalultra-sônico através da parede de tubo e do fluidosubstancialmente ortogonal à direção de fluxo e recebe umareflexão do sinal ultra-sônico refletido de volta a partirda parede do tubo para o sensor ultra-sônico.

Com referência à Figura 20, uma sexta modalidade de ummedidor de fluxo multifásico 550 é ilustrada e é similar aomedidor de fluxo 500 da Figura 17, com a adição de ummedidor de fluxo 552 disposto para medir a vazão do fluidofluindo no tubo de desvio 302. Esta medição direta provêuma medição mais acurada do fluido de desvio do que adeterminação da vazão com base na pressão diferencialatravés do tubo, conforme descrito aqui antes. O medidor defluxo 552 e o medidor de corte de água 502 podem sercombinados em uma unidade única, conforme mostrado edescrito no Pedido de Patente U.S. N0 (Protocolo Legal N0CC-0842) , depositado em 10 de janeiro de 2006, o qual éincorporado aqui como referência.

A Figura 21 ilustra um medidor de fluxo 600 quecombina os recursos do medidor de fluxo 350 da Figura 13 eos recursos do medidor de fluxo 500 da Figura 17.

A Figura 22 ilustra um medidor de fluxo 650 quecombina os recursos do medidor de fluxo 350 da Figura 13 eos recursos do medidor de fluxo 402 da Figura 15.

A Figura 23 ilustra um medidor de fluxo 600 quecombina os recursos do medidor de fluxo 350 da Figura 13 eos recursos do medidor de fluxo 550 da Figura 20.A Figura 24 ilustra uma vista expandida da junção dotubo de desvio 302 e do medidor de DP 308 no tubo primário304. Conforme mostrado, a junção do tubo primário 304 e dotubo de desvio 302 é próxima do medidor de DP 308 (porexemplo, uma placa de orifício), onde fluido se acumula oucondensa para a provisão de uma separação eficiente dolíquido e do gás. Será apreciado que quanto mais próxima aabertura do tubo de desvio 302 estiver do medidor de DP308, maior a separação e menor a probabilidade que o fluidode desvio terá de um transporte de gás.

A Figura 25 ilustra um diagrama de blocos geral 750 deum sistema de medição de fluxo multifásico similar aosistema 700, conforme mostrado na Figura 23. Conformemostrado, o sistema 750 inclui uma porção de separador defluxo 752 que separa o fluxo de gás úmido 100 em uma porçãode líquido 106 e uma porção de gás 104. A porção de gásseparada 104 (tendo algum transporte de líquido) passaatravés do tubo primário 3 04 e a porção de líquido separada106 (a qual pode ter algum transporte de gás) passa atravésdo tubo de desvio 302. A porção de separador 752 pode serqualquer meio conhecido de separação de gás e líquido de umfluxo multifásico.

A Figura 26 é uma sétima modalidade 800 da porção desensor da presente invenção (excluindo-se a unidade deprocessamento) similar ao sistema 600 mostrado na Figura21. O sistema de fluxo 800 inclui um par de medidores de DP802, 803, um medidor de fluxo de sonar 804 e um medidor decorte de água 806. Conforme mostrado, uma porção do tuboprimário 304 é estreitada, onde o medidor de fluxo de sonar804 mede um parâmetro do fluido fluindo através da porçãoestreitada. Está se estendendo a partir da janela deentrada (ou entrada) da porção estreita de tubo primário304 um flange 305 disposto circunferencialmente em torno dajanela de entrada 306 para separação da porção de liquidodo fluxo da porção de gás do flioxo. O flange e a porção deestreitamento do tubo primário 304 provêem uma porção deseparador 307, por meio do que o liquido, o qualtipicamente se propaga ao longo das paredes do tubo, éaprisionado pelo f lange 305 e dirigido para o tubo dedesvio 302. A área de seção transversal do tubo de desvio302 é menor do que a área de seção transversal do tuboprimário 304, para garantir que o tubo estejasubstancialmente preenchido com líquido. A área de seçãotransversal do tubo é determinada para se garantir que otubo de desvio 302 esteja continuamente preenchido comlíquido com uma passagem mínima através da porçãoestreitada do tubo primário 304. A área de seçãotransversal, portanto, é dependente da velocidade do fluidono tubo e da umidade do fluxo de fluido. Será apreciado queo tubo de desvio 302 e a porção estreitada do tubo primário304 podem ter qualquer formato de seção transversal. Porexemplo, os tubos primários e de desvio podem ter áreas deseção transversal quadradas com superfícies planas para aacomodação da montagem de sensores ultra-sônicos para omedidor de corte de água 806 e o medidor de fluxo de sonar804, usando-se estes tipos de sensor.

O medidor de DP 802 compreende um par de sensores depressão 807, onde um sensor é disposto no flange 305 e ooutro sensor de pressão é disposto no tubo primárioestreitado 304 para a formação de um medidor de DP 802. Ooutro medidor de DP 8 03 disposto no f lange de saída émostrado como um medidor de cone em V.

Com referência à Figura 27, uma oitava modalidade 900do medidor de fluxo multifásico é mostrada (excluindo-se aunidade de processamento) similar ao sistema 500 mostradona Figura 17. O medidor 900 inclui um medidor de DP 902montado no tubo 312, enquanto a outra porção do medidor éuma peça de carretei similar àquela mostrada na Fig. 25 eincluindo um medidor de fluxo de sonar 904 e um medidor decorte de água 906. 0 sistema de fluxo 900 também incluirecursos similares àqueles mostrados na Figura 26 para aseparação das porções de líquido e de gás do fluxo. 0 tubode desvio 3 02 é mostrado como um tubo reto que se estendeatravés da porção estreitada do tubo primário 3 04. Maisainda, conforme é verdadeiro para todas as modalidadesprovidas aqui, a porção de sensor da presente invenção podeser uma peça em carretei tendo um par de flanges dispostosem extremidades axiais opostas das porções de sensores. Umacobertura 311 pode ser disposta sobre a porção estreitadado tubo primário 3 04 para proteção dos medidores dispostosali.

Com referência à Figura 28, uma nona modalidade 950 dapresente invenção, similar ao sistema 900 mostrado naFigura 27, é mostrada, onde o sistema 950 não inclui omedidor de DP. Este sistema 950 provê uma medição de taxade gás e de corte de água similar àquilo descrito aquiantes.

Mais ainda, com referência à Figura 29, uma décimamodalidade 975 de porção de sensor da presente invenção(excluindo-se a unidade de processamento) similar aosistema 550 mostrado na Figura 20, é mostrada, onde osistema de fluxo 975 inclui um medidor de DP 98 0, ummedidor de fluxo de sonar 985, um medidor de fluxo 990 (notubo de desvio 302) e um medidor de corte de água 995. 0sistema de fluxo 975 também inclui recursos similaresàquilo mostrado nas Figuras 26 e 28 para separação dasporções de líquido e de gás do fluxo. 0 sistema 975 mede ataxa de gás e a de líquido na corrente de gás mais secafluindo através da porção estreitada do tubo primário 304,e a vazão e o corte de água no tubo de desvio 3 02. Estasmedições são combinadas para a determinação da taxa geral eda composição.

Com referência à Figura 30, uma décima segundamodalidade do medidor multifásico 1000 da presente invençãoé mostrada, e inclui um primeiro tubo 1002 e um segundotubo 1004, onde o primeiro tubo 1002 inclui um primeirodiâmetro de tubo 1006 e o segundo tubo 1004 inclui umsegundo diâmetro de tubo 1008, o primeiro diâmetro de tubo1006 sendo maior do que o segundo diâmetro de tubo 1008. 0primeiro tubo 1002 e o segundo tubo 1004 estão associadosum ao outro, de modo que pelo menos uma porção 1010 dosegundo tubo 1004 esteja disposta estendendo-se dentro doprimeiro tubo 1002 para a formação de um canal de fluxoprimário 1003 que atravessa o primeiro tubo 1002 e osegundo tubo 1004, conforme mostrado na Figura 30. A porção1010 do segundo tubo 1004 disposta dentro do primeiro tubo1002 se estende suficientemente longe para o primeiro tubo1002 para formar um canal de fluxo de desvio 1012 entre oprimeiro tubo 1002 e o segundo tubo 1004. A porção 1010 dosegundo tubo 1004 inclui um orifício passante 1014 o qualcomunica o canal de fluxo de desvio 1012 com o canal defluxo primário 1003. Uma janela de limpeza ou de acesso1021 é provida tendo um bujão 1023 para a provisão deacesso fácil ao canal de fluxo de desvio 1012. A porção desensor 1000 também inclui um medidor de DP 1016 (incluindoos sensores de pressão 1017) , um medidor de corte de água1018 (incluindo um sensor ultra-sônico 1019) e um medidorde fluxo baseado em sonar 1020.

Conforme mostrado na Figura 30, um fluxo de fluido 100(por exemplo, gás úmido) é mostrado sendo introduzido noprimeiro tubo 1002. Conforme o fluxo de fluido 100 encontraa porção 1010 do segundo tubo 1004, a porção de gás 104 dofluxo de fluido 100 flui para o canal de fluxo primário1003, enquanto a porção de líquido 1006 do fluxo de fluido100 (tendo se condensado nas paredes internas do tubo oudepositado no fundo do tubo) flui para o canal de fluxo dedesvio anular 1012, saindo a partir do orifício passante1014 e de volta para o canal de fluxo primário 1003. 0medidor de corte de água 1018 analisa a porção de líquido1006 do fluxo de fluido 100 dentro do canal de fluxo dedesvio 1012. Como tal, o canal de fluxo de desvio 1012funciona como um trecho de líquido, conforme nasmodalidades mostradas aqui acima.

Conforme mostrado nas Figuras 3 0 e 31, o medidor decorte de água 1018 é um sensor ultra-sônico 1019funcionando no modo de pulso / eco, conforme descrito aquiantes, para a determinação do corte de água da porção delíquido 106. O sensor ultra-sônico pode ser com janela (ouúmido) no tubo 1002 ou grampeado no tubo 1002. 0 sensorultra-sônico é disposto para a provisão de um sinal ultra-sônico perpendicular à direção de fluxo do líquido 106. Umrefletor 1028 pode ser provido ou montado na parede externaoposta do tubo interno 1010, conforme mostrado na Figura 31.

A Figura 32 ilustra uma outra modalidade de um medidorde corte de água 28 similar àquele mostrado nas Figuras 30e 31. O medidor de corte de água inclui um sensor ultra-sônico e uma elevação 1025. A elevação é uma haste formadade um material de metal que tem um comprimentopredeterminado. Uma extremidade é soldada ou montada deoutra forma através do tubo externo 1002, de modo que suaextremidade seja molhada. O sensor ultra-sônico 1019 émontado na outra extremidade. 0 sensor transmite e recebe osensor ultra-sônico através da elevação 1025 e do líquido106. A presente modalidade do corte de água é mostrada semo refletor 1028 da Figura 31, embora a presente invençãocontemple usar um refletor como esse nesta modalidade. Aelevação 1025 funciona para atenuação, redução oueliminação de reflexões erráticas ou enganosas para aprovisão de uma reflexão clara da reflexão desejada dosinal transmitido para a medição de forma mais acurada dotempo de trânsito do sinal e, daí, da velocidade de som dolíquido. A extremidade molhada da elevação 1025 inclui umadepressão esférica ou em formato de taça 1031 parafocalização do ultra-som na direção desejada, bem comodefletir reflexões indesejadas ou dispersão. Embora adepressão 1031 seja mostrada como sendo conformada de modoesférico, será apreciado que a depressão pode ter qualquerformato desejado para focalização do sinal ultra-sônico eatenuação de reflexões / sinais indesejados. A elevação1025 ainda inclui roscas anulares (ranhuras) ou projeções1033 se estendendo radialmente a partir da elevação. Asprojeções (ou ranhuras) atenuam e/ou atrasam reflexõesindesejadas ou sinais dispersos para a provisão adicionalde uma reflexão de retorno mais clara para permitir umaidentificação do sinal ultra-sônico retornado. Ocomprimento da elevação é selecionado para redução oueliminação de outras reflexões que possam retornar para osensor ultra-sônico ao mesmo tempo.

Embora o medidor de corte de água 1018 tenha sidodescrito como tendo um sensor ultra-sônico 1019, deve serapreciado que o corte de água pode ser determinado atravésde qualquer medidor de corte de água e/ou sonda adequadopara a finalidade desejada, tal como o Sistema Redeyefabricado pela Weatherford Corporation, o qual pode serinserido através de um orifício na parede externa 1002 parainserção dentro do canal de desviol012. Deve ser apreciado,também, que o orifício passante 1014 pode ser dimensionadoconforme necessário e configurável de forma ajustável parafluxos e/ou aplicações em particular, conforme desejado,para redução de entupimento e garantir que o canal dedesvio 1012 esteja cheio, de modo que o nível do líquidoseja tão alto quanto à porção inferior do tubo interno1010, para redução ou eliminação de um gás passando atravésdo orifício passante 1024.

Mais ainda, a presente invenção contempla que omedidor de fluxo de sonar 116 pode ser substituído porqualquer um dos tipos de medidores a seguir: um Medidor deFluxo Ultra-Sônico de Tempo de Trânsito (TTUF), um Medidorde Fluxo Ultra-Sônico de Doppler (DUF) e um Medidor deFluxo Ultra-Sônico de Correlação Cruzada (CCUF), similaresàquilo descrito no artigo "Guidelines for the Use ofUltrasonic Non-Invasive Metering Techniques" de M.L.Sanderson e H.Yeung, publicado em 17 de julho de 2002, oqual é incorporado aqui como referência. Um CCUF como essefabricado pela GE Panametrics DigitalFlow™ CTF878, ummedidor de fluxo que tem um par de sensores ultra-sônicosdispostos axialmente ao longo do tubo, o qual é incorporadoaqui como referência. Deve ser apreciado que, embora ainvenção seja discutida aqui com referência ao número deLockhartd-Martinelli e/ou Taxas em Massa de Líquido, outrosparâmetros não dimensionais relacionados à umidade tambémpodem ser usados. Deve ser apreciado, ainda, que o métododa presente invenção provê medições que são muitoinsensíveis à umidade. Como tal, a presente invençãopermite uma maior diferença na estimativa para mais entre omedidor de sonar e o medidor de DP, o que se traduz emmedições que têm acurácia e resolução maiores do que osmétodos existentes.

Será apreciado que, embora nas modalidadesapresentadas aqui antes não se meça a fração de fase doóleo e do gás na porção estreitada do tubo primário para olíquido passando através dali, a unidade de processamentopode assumir que a relação óleo / água seja similar àquelamedida pelo tubo de desvio usando-se a medição de corte deágua para a provisão de uma medição mais acurada da fraçãode fase e da vazão de cada um dos componentes de um fluidomultifásico. Mais ainda, embora a invenção mostrada aquiseja discutida em termos de medidor(es) de DP, um medidorde sonar e/ou um medidor ultra-sônico, a presente invençãocontempla que qualquer medidor e/ou combinação de medidoresadequado para a finalidade desejada possa ser usado, demodo que os medidores provejam uma medição de saída tendouma função repetível de estimativa para mais (ou sinal desaída) com respeito à umidade do fluxo, onde a estimativapara mais é substancialmente menor do que a estimativa paramais do medidor de DP. Deve ser apreciado que os medidores(por exemplo, medidor de sonar e medidor ultra-sônico)combinados com o medidor de diferencial, também podemcompreender um grampo não invasivo em sensores ou sensoresúmidos. Deve ser entendido, ainda, que qualquer um dosrecursos, características, alternativas ou modificaçõesdescritas com respeito a uma modalidade em particular aquitambém pode ser aplicado, usado ou incorporado em qualqueroutra modalidade descrita aqui. Embora a invenção tenhasido descrita e ilustrada com respeito a modalidades deexemplo da mesma, o precedente e várias outras adições ouomissões podem ser feitas nela e a ela, sem se desviar doespírito e do escopo da presente invenção.

O método da invenção pode ser concretizado na forma deum computador ou processos implementados em controlador. Ainvenção também pode ser concretizada na forma de um códigode programa de computador contendo instruções concretizadasem meios tangíveis, tais como disquetes flexíveis, CD-ROMs,discos rígidos e/ou qualquer outro meio que pode ser lidoem computador, onde quando o código de programa decomputador é carregado e executado por um computador oucontrolador, o computador ou controlador se torna umaparelho para a prática da invenção. A invenção também podeser concretizada na forma de um código de programa decomputador, por exemplo, armazenado em um meio dearmazenamento, carregado em e/ou executado por umcomputador ou controlador, ou transmitido por algum meio detransmissão, tal como uma fiação elétrica ou um cabeamento,através de fibras óticas, ou através de radiaçãoeletromagnética, onde quando o código de programa decomputador é carregado em e executado por um computador oucontrolador, o computador ou controlador se torna umaparelho para a prática da invenção. Quando implementado emum microprocessador de finalidade geral, os segmentos decódigo de programa de computador podem configurar omicroprocessador para a criação de circuitos lógicosespecíficos.

Embora a invenção tenha sido descrita com referência auma modalidade de exemplo, será compreendido por aquelesversados na técnica que várias mudanças podem ser feitas eequivalentes podem ser substituídos por elementos da mesma,sem se desviar do escopo da invenção. Além disso, muitasmodificações podem ser feitas para adaptação de umasituação ou de um material em particular aos ensinamentosda invenção, sem se desviar do escopo essencial da mesma.Portanto, pretende-se que a invenção não esteja limitadaà(s) modalidade(s) particular(es) descritas aqui como omelhor modo contemplado para a realização desta invenção.

Claims

1. Aparelho para a determinação de uma característicade um escoamento de fluido multifásico em um tubo, oaparelho caracterizado pelo fato de compreender:um dispositivo de separação para separação do fluidoem um componente de gás e um componente de líquido e odirecionamento do referido componente de gás para escoar emuma porção de trecho de gás do tubo e o referido componentede líquido para fluir em uma porção de líquido do tubo;um dispositivo de medição de porção de trecho de gás,onde o referido dispositivo de medição de porção de trechode gás gera dados de componente de gás em resposta a- umacaracterística de componente de gás;um dispositivo de medição de porção de trecho delíquido, onde o referido dispositivo de medição de porçãode trecho de líquido gera dados de componente de líquido emresposta a uma característica de componente de líquido; eum dispositivo de processamento em comunicação compelo menos um dentre o referido dispositivo de medição deporção de trecho de gás e o referido dispositivo de mediçãode porção de trecho de líquido, o referido dispositivo deprocessamento sendo configurado para receber e processarpelo menos um dos referidos dados de componente de gás edos referidos dados de componente de líquido para a geraçãode dados de escoamento de fluido em resposta a umacaracterística de escoamento de fluido.

2. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de o referido dispositivo demedição de porção de trecho de gás incluir pelo menos umdentre um medidor de fluxo baseado em diferencial e ummedidor de fluxo baseado em sonar.

3. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de o referido medidor de fluxobaseado em diferencial ser pelo menos um dentre um medidorde fluxo baseado em orifício, um medidor de venturi, ummedidor de fluxo de joelho e um medidor de cone em V.

4. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de o referido medidor de fluxobaseado em sonar incluir uma pluralidade de medidores defluxo baseados em sonar.

5. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de o tubo ser dividido na referidaporção de trecho de gás e na referida porção de trecho delíquido e recombinado a jusante do referido dispositivo demedição de trecho de gás e do referido dispositivo demedição de trecho de líquido no tubo.

6. Aparelho, de acordo com a reivindicação 5,caracterizado pelo fato de ainda compreender um medidor defluxo baseado em diferencial associado ao tubo a jusante dareferida porção de trecho de gás e da referida porção detrecho de líquido.

7. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de o referido medidor de fluxobaseado em diferencial ser disposto em pelo menos umadentre uma localização a montante e uma localização ajusante do referido medidor de fluxo baseado em sonar.

8. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de o referido dispositivo demedição de trecho de líquido incluir pelo menos um dentreum medidor de fluxo, um medidor de corte de água ("watercutmeter'), um densitômetro e um Medidor de Velocidade do Som.

9. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de a referida característica deescoamento de fluido ser pelo menos um dentre uma Fração deVolume de Gás (GFV) , uma taxa de fluxo volumétrico e umvalor de corte de água.

10. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de a referida característica decomponente de gás ser em resposta à umidade do referidocomponente de gás.