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Título: Circuito integrado de condicionamento de sinais para sensores wire-mesh aplicados ao monitoramento de escoamentos multifásicos
Autor(es): Sales Filho, José Batista de
Palavras-chave: Medição de impedância elétrica;Fluxo multifásico;Sensores wire-mesh;Circuitos integrados CMOS
Data do documento: 16-Dez-2016
Citação: SALES FILHO, José Batista de. Circuito integrado de condicionamento de sinais para sensores wire-mesh aplicados ao monitoramento de escoamentos multifásicos. 2016. 71f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica e de Computação) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2016.
Resumo: In many petrochemical and nuclear industry applications, monitoring of streaming oil-watergas- mixtures (multiphase flows) has been motivating the development of investigation methods based on tomographic imaging. Some investigated phenomena, such as gas bubble propagation, feature fast-changing dynamics, thus demanding a good time resolution of monitoring systems. In order to achieve faster imaging methods compared to established tomographic techniques, wire-mesh sensors were developed over the last decade. These sensors, which are inserted inside pipelines, are composed of an electrode mesh that performs electric impedance measurements, which can be converted in fluid electrical properties. Despite their intrusive nature, multiphase flow images can be generated without iterative reconstruction algorithms. It is proposed in this work an integrated circuit (IC) to perform a 4x4 wire-mesh sensor signal conditioning, applied to phase fraction calculations of multiphase flows. The circuit integration reduce the size of conditioning circuits, in comparison with established systems which use discrete components, and also offers customization options to enhance power consumption efficiency. The chip comprises the following blocks: an interface amplifier that converts the sensor output currents into voltage signals; a phase syncronous demodulator, which provides in-phase and quadrature voltage signals that are functions of the main fluid electrical parameters (permittivity and conductivity); and a low-pass filter, prior to the off-chip analog-to-digital conversion. This work focuses on the project of the interface amplifier and the low-pass filter. The circuit was designed for a 130-nm standard CMOS technology. The IC validation is performed via post-layout simulations.
metadata.dc.description.resumo: Em diversos campos da indústria petroquímica e nuclear, o controle e monitoramento de escoamentos compostos de misturas de óleo, gás e água (escoamentos multifásicos) vêm motivando o desenvolvimento de técnicas de investigação baseadas na geração de imagens por tomografia. Fenômenos como propagação de bolhas de gás possuem dinâmicas rápidas que exigem dos sistemas de monitoramento uma boa resolução temporal. Com o intuito de melhorar tais requisitos temporais em relação as técnicas de imagem já consolidadas, foram desenvolvidos sensores do tipo wire-mesh ao longo da última década. Estes sensores, que são inseridos dentro das tubulações, são constituídos por uma malha de eletrodos que realizam medições de impedância elétrica, que pode ser convertida nas propriedades elétricas dos fluidos. Apesar da característica intrusiva, imagens do fluxo multifásico são geradas sem a necessidade de algoritmos iterativos de reconstrução. É proposto neste trabalho um circuito integrado (CI) para realizar o condicionamento de uma malha de sensores wire-mesh 4x4, aplicado à determinação da fração de fases em fluxos multifásicos. A integração reduz o tamanho dos circuitos de condicionamento, comparado às implementações dos sistemas existentes que utilizam componentes discretos, e também oferece opções de customização para melhorar o consumo de energia. O chip é composto dos seguintes blocos: um amplificador de interface, que converte as correntes provenientes dos sensores em tensão; um demodulador síncrono a fase, que fornece sinais de tensão em fase e em quadratura que são funções das propriedades elétricas dos fluidos (permissividade e condutividade); e de um filtro passa-baixas que antecede a conversão analógico-digital, a ser feita fora do chip. O foco deste trabalho é apresentar o projeto dos blocos do amplificador de interface e do filtro passa-baixas. O circuito integrado foi projetado para uma tecnologia CMOS padrão de 130 nm. A validação do funcionamento do circuito é feita a partir de simulações pós-leiaute.
URI: https://repositorio.ufrn.br/jspui/handle/123456789/22567
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