LACIT / Escoamentos bifásicos gás-líquido estão presentes em inúmeras aplicações de engenharia, como por exemplo, na produção de petróleo, onde óleo e gás escoam nas linhas de produção. A monitoração online do escoamento bifásico é de grande importância para operação segura e eficiente dos processos de produção. Assim, nos últimos anos tem-se buscando o desenvolvimento de técnicas simples e de baixo custo para monitoração do escoamento da produção. Das diversas formas que um escoamento bifásico se apresenta, o padrão de escoamento em golfadas é o mais comum nas linhas de produção. Este trabalho apresenta um sistema óptico infravermelho que mede especificamente a velocidade das bolhas de gás em um escoamento em golfadas. Esse sistema emprega componentes optoeletrônicos operando a 950 nm juntamente com uma peça adutora utilizada para manter estáticos o emissor e receptor de luz. O circuito eletrônico responsável pelo funcionamento do sensor é composto por três canais de medição modulados em frequências diferentes. Dessa forma pelo tempo de trânsito que uma bolha leva no percurso entre os canais, pode-se calcular a velocidade da bolha. Essa técnica óptica traz a vantagem de ser um sistema de medição não invasivo e pode ser utilizado para outros fluidos, mas é necessário adaptar o comprimento de onda de trabalho de acordo com as características do fluido a ser detectado. O sistema desenvolvido foi testado em uma planta piloto sob diversas condições operacionais e comparado com sensores de referência (wire-mesh e câmera de alta velocidade). Resultados obtidos mostram o bom desempenho do sistema com relação aos sensores de referência. / Gas-liquid two-phase flows are present in many engineering applications such as in petroleum production, where oil and gas stream in the production lines. The online monitoring of two-phase flow is of great importance for safe and efficient operation of production processes. Thus, in recent years there has been an attempt to develop simple and low cost techniques for flow production monitoring. Among the various ways a two-phase flow may occur in a pipe, the flow pattern known as slug flow is the most common in production lines. This work presents an infrared optical system that specifically measures the translational speed of gas bubbles in slugs flow. This system employs optoelectronic components operating at 950 nm along with a mechanical assembly used to assure optical alignment of light emitters and receivers. The electronic circuitry responsible for operating the sensor consists of three measuring channels modulated at different frequencies, thus by measuring the time lag a gas bubble needs to travel from one channel to another, one can calculate speed of gas bubble. This optical technique has the advantage of being a noninvasive measurement system and can be used for other fluids, but it is necessary to adapt the working wavelength according to the characteristics of the fluid to be detected. The developed system was tested in a pilot plant under various operating conditions and compared with reference sensors (wire-mesh and high-speed camera). Results show the good performance of the system with respect to the reference sensors.

LACIT / Escoamentos bifásicos gás-líquido estão presentes em inúmeras aplicações de engenharia, como por exemplo, na produção de petróleo, onde óleo e gás escoam nas linhas de produção. A monitoração online do escoamento bifásico é de grande importância para operação segura e eficiente dos processos de produção. Assim, nos últimos anos tem-se buscando o desenvolvimento de técnicas simples e de baixo custo para monitoração do escoamento da produção. Das diversas formas que um escoamento bifásico se apresenta, o padrão de escoamento em golfadas é o mais comum nas linhas de produção. Este trabalho apresenta um sistema óptico infravermelho que mede especificamente a velocidade das bolhas de gás em um escoamento em golfadas. Esse sistema emprega componentes optoeletrônicos operando a 950 nm juntamente com uma peça adutora utilizada para manter estáticos o emissor e receptor de luz. O circuito eletrônico responsável pelo funcionamento do sensor é composto por três canais de medição modulados em frequências diferentes. Dessa forma pelo tempo de trânsito que uma bolha leva no percurso entre os canais, pode-se calcular a velocidade da bolha. Essa técnica óptica traz a vantagem de ser um sistema de medição não invasivo e pode ser utilizado para outros fluidos, mas é necessário adaptar o comprimento de onda de trabalho de acordo com as características do fluido a ser detectado. O sistema desenvolvido foi testado em uma planta piloto sob diversas condições operacionais e comparado com sensores de referência (wire-mesh e câmera de alta velocidade). Resultados obtidos mostram o bom desempenho do sistema com relação aos sensores de referência. / Gas-liquid two-phase flows are present in many engineering applications such as in petroleum production, where oil and gas stream in the production lines. The online monitoring of two-phase flow is of great importance for safe and efficient operation of production processes. Thus, in recent years there has been an attempt to develop simple and low cost techniques for flow production monitoring. Among the various ways a two-phase flow may occur in a pipe, the flow pattern known as slug flow is the most common in production lines. This work presents an infrared optical system that specifically measures the translational speed of gas bubbles in slugs flow. This system employs optoelectronic components operating at 950 nm along with a mechanical assembly used to assure optical alignment of light emitters and receivers. The electronic circuitry responsible for operating the sensor consists of three measuring channels modulated at different frequencies, thus by measuring the time lag a gas bubble needs to travel from one channel to another, one can calculate speed of gas bubble. This optical technique has the advantage of being a noninvasive measurement system and can be used for other fluids, but it is necessary to adapt the working wavelength according to the characteristics of the fluid to be detected. The developed system was tested in a pilot plant under various operating conditions and compared with reference sensors (wire-mesh and high-speed camera). Results show the good performance of the system with respect to the reference sensors.

CAPES / O presente trabalho visa auxiliar no desenvolvimento da instrumentação óptica para a detecção do petróleo e do dióxido de carbono; essa instrumentação servirá de base para o desenvolvimento de um sistema de monitoração do escoamento bifásico envolvendo dióxido de carbono (CO2 ) e petróleo. Na primeira parte foram efetuados estudos das propriedades ópticas do petró-leo e do CO2 na região do visível (VIS), NIR e infravermelho médio (MIR). Na região do NIR foram realizados trabalhos de caracterização óptica do CO2 , água e petróleo em regime estático e em regime dinâmico foram estudados o escoamento bifásico envolvendo água e ar. No estudo do CO2 foram apresentados resultados referentes à obtenção das linhas características de absorção na região de 1, 5 μm e 2, 0 μm, utilizando metodologias experimentais diferentes: com uma câmara de gás, com o uso fibras ópticas de cristal fotônico (PCF) e por fim com o uso de câmara com multi reflexões. Os resultados experimentais obtidos com o CO2 foram comparados com os resultados encontrados na literatura, coincidindo com valores da ordem de décimos de nanômetros para a região de 1, 5 μm. Ainda no estudo do CO2 foram observados, no experimento da câmara de gás, a relação da pressão na câmara com a amplitude das linhas características de absorção. Para o petróleo foram obtidos dados referentes à sua absorbância óptica nas regiões do VIS, NIR, MIR e infravermelho distante (FIR) através de inúmeras técnicas de espectroscopia analíticas comerciais e experimentais: espectroscopia no visível, de refletância (ATR) e por transformada de Fourier (FTIR). Os resultados do FTIR possibilitaram escolher regiões iniciais de menor absorbância do petróleo nas regiões do NIR e do MIR onde no futuro poderá ser aplicada a técnica óptica para a monitoração do CO2 diluído no petróleo, no NIR é a região de 1, 57 μm e no MIR a região espectral de 2, 0 μm e 4, 3 μm. Nas medidas experimentais na região de 4, 3 μm foi encontrado o valor da absorbância do petróleo de 0, 11 u.a./cm o que difere em duas ordens de grandeza com os resultados obtidos com o FTIR. Outro experimento feito com petróleo teve como objetivo resultados para a absorção de uma filme fino de petróleo usando uma fonte supercontínua e uma Análise de Espectro Óptico (OSA), e a obtenção de um coeficiente de atenuação óptica como o uso do PCF, os resultados foram comparados. Para trabalhos referentes à região espectral do FIR estão sendo estudados os efeitos da emissividade da radiação para diferentes corpos com o uso de uma câmara CCD operando na região do NIR e FAR. Todos os resultados obtidos para a absorbância do petróleo e CO2 foram comparados. Por fim no estudo óptico de soluções de petróleo foi observada a ressonância de plasmons de superfície (SPR) com luz incidente com um ângulo de 5 o com a normal do filme metálico encontrando uma variação de 45 nm por unidade de índice de refração. No trabalho de doutorado os melhores resultados foram obtidos na região de IR em 4, 3 μm, utilizando como fonte elementos resistivos e como detectores termopilhas, esses resultados foram obtidos para uma espessura de petróleo de 6 cm. / This work aims to assist the optical instrumentation development for oil and carbon dioxide detection: this instrumentation will serve as basis for the development of a monitoring system involving two-phase flow of carbon dioxide (CO2 ) and oil. In the first part studies were develo- ped on the optical properties of oil and CO2 in the visible region (VIS), NIR and mid infrared (MIR). In the NIR region were performed works of optical characterization of CO2 , water and oil in static regime and dynamic regime were studied the two-phase flow involving water and air. In the study of CO2 were presented results for obtaining the absorption characteristic lines in the region of 1.5 μm and 2.0 μm, using different experimental techniques: with the gas chamber with the use of photonic crystal optical fiber (PCF) and finally with the use camera with multi-reflections. The experimental results obtained from the CO2 were compared with the results found in the literature, coinciding with values of tenths of a nanometer order to the region of 1.5 μm. Still in the CO2 were observed, in the gas chamber, the relation between camera pressure with characteristics of absorption lines. Data were obtained for oil fot its optical absorbance in regions of the VIS, NIR, MIR and far infrared (FIR) through numerous techniques of commercial and experimental spectroscopy: Spectroscopy in visible reflectance (ATR) and Fourier transform (FTIR). The FTIR results allowed to choose the regions of lower initial absorbance of oil in the regions of the NIR and MIR which in the future may be applied to optical technique for monitoring the CO2 diluted in oil; this is in the NIR region of 1.57 μm and MIR spectral region of 2.0 μm and 4.3 μm. In the experimental measurements in the region of 4.3 μm was found the amount of oil absorbance of 0.11 u.a./cm which differ by two orders of magnitude with the results obtained with FTIR. Another experiment performed with oil was aimed to obtain results for absorption into a thin film oil using a supercontinuum source and an optical spectrum analyzer (OSA), and obtaining optical attenuation coefficient by using the PCF, the results were compared. For work on the spectral region of the FIR the effects of radiation emissivity to different materials with use of a CCD camera operating in the NIR and FAR region have being studied. All the results for the absorbance of the oil and CO2 were compared. Finally the optical study of oil solutions was observed at surface plasmon resonance (SPR) with incident light at an angle of 5 o with the metal film, finding a variation the 45 nm of refractive index unit. In the doctorate work the best results were obtained in the IR region of 4.3 μm , using as a source resistive elements and how detectors was utilized a thermopile, these results were obtained for a thick of oil of 6 cm.

CAPES / O presente trabalho visa auxiliar no desenvolvimento da instrumentação óptica para a detecção do petróleo e do dióxido de carbono; essa instrumentação servirá de base para o desenvolvimento de um sistema de monitoração do escoamento bifásico envolvendo dióxido de carbono (CO2 ) e petróleo. Na primeira parte foram efetuados estudos das propriedades ópticas do petró-leo e do CO2 na região do visível (VIS), NIR e infravermelho médio (MIR). Na região do NIR foram realizados trabalhos de caracterização óptica do CO2 , água e petróleo em regime estático e em regime dinâmico foram estudados o escoamento bifásico envolvendo água e ar. No estudo do CO2 foram apresentados resultados referentes à obtenção das linhas características de absorção na região de 1, 5 μm e 2, 0 μm, utilizando metodologias experimentais diferentes: com uma câmara de gás, com o uso fibras ópticas de cristal fotônico (PCF) e por fim com o uso de câmara com multi reflexões. Os resultados experimentais obtidos com o CO2 foram comparados com os resultados encontrados na literatura, coincidindo com valores da ordem de décimos de nanômetros para a região de 1, 5 μm. Ainda no estudo do CO2 foram observados, no experimento da câmara de gás, a relação da pressão na câmara com a amplitude das linhas características de absorção. Para o petróleo foram obtidos dados referentes à sua absorbância óptica nas regiões do VIS, NIR, MIR e infravermelho distante (FIR) através de inúmeras técnicas de espectroscopia analíticas comerciais e experimentais: espectroscopia no visível, de refletância (ATR) e por transformada de Fourier (FTIR). Os resultados do FTIR possibilitaram escolher regiões iniciais de menor absorbância do petróleo nas regiões do NIR e do MIR onde no futuro poderá ser aplicada a técnica óptica para a monitoração do CO2 diluído no petróleo, no NIR é a região de 1, 57 μm e no MIR a região espectral de 2, 0 μm e 4, 3 μm. Nas medidas experimentais na região de 4, 3 μm foi encontrado o valor da absorbância do petróleo de 0, 11 u.a./cm o que difere em duas ordens de grandeza com os resultados obtidos com o FTIR. Outro experimento feito com petróleo teve como objetivo resultados para a absorção de uma filme fino de petróleo usando uma fonte supercontínua e uma Análise de Espectro Óptico (OSA), e a obtenção de um coeficiente de atenuação óptica como o uso do PCF, os resultados foram comparados. Para trabalhos referentes à região espectral do FIR estão sendo estudados os efeitos da emissividade da radiação para diferentes corpos com o uso de uma câmara CCD operando na região do NIR e FAR. Todos os resultados obtidos para a absorbância do petróleo e CO2 foram comparados. Por fim no estudo óptico de soluções de petróleo foi observada a ressonância de plasmons de superfície (SPR) com luz incidente com um ângulo de 5 o com a normal do filme metálico encontrando uma variação de 45 nm por unidade de índice de refração. No trabalho de doutorado os melhores resultados foram obtidos na região de IR em 4, 3 μm, utilizando como fonte elementos resistivos e como detectores termopilhas, esses resultados foram obtidos para uma espessura de petróleo de 6 cm. / This work aims to assist the optical instrumentation development for oil and carbon dioxide detection: this instrumentation will serve as basis for the development of a monitoring system involving two-phase flow of carbon dioxide (CO2 ) and oil. In the first part studies were develo- ped on the optical properties of oil and CO2 in the visible region (VIS), NIR and mid infrared (MIR). In the NIR region were performed works of optical characterization of CO2 , water and oil in static regime and dynamic regime were studied the two-phase flow involving water and air. In the study of CO2 were presented results for obtaining the absorption characteristic lines in the region of 1.5 μm and 2.0 μm, using different experimental techniques: with the gas chamber with the use of photonic crystal optical fiber (PCF) and finally with the use camera with multi-reflections. The experimental results obtained from the CO2 were compared with the results found in the literature, coinciding with values of tenths of a nanometer order to the region of 1.5 μm. Still in the CO2 were observed, in the gas chamber, the relation between camera pressure with characteristics of absorption lines. Data were obtained for oil fot its optical absorbance in regions of the VIS, NIR, MIR and far infrared (FIR) through numerous techniques of commercial and experimental spectroscopy: Spectroscopy in visible reflectance (ATR) and Fourier transform (FTIR). The FTIR results allowed to choose the regions of lower initial absorbance of oil in the regions of the NIR and MIR which in the future may be applied to optical technique for monitoring the CO2 diluted in oil; this is in the NIR region of 1.57 μm and MIR spectral region of 2.0 μm and 4.3 μm. In the experimental measurements in the region of 4.3 μm was found the amount of oil absorbance of 0.11 u.a./cm which differ by two orders of magnitude with the results obtained with FTIR. Another experiment performed with oil was aimed to obtain results for absorption into a thin film oil using a supercontinuum source and an optical spectrum analyzer (OSA), and obtaining optical attenuation coefficient by using the PCF, the results were compared. For work on the spectral region of the FIR the effects of radiation emissivity to different materials with use of a CCD camera operating in the NIR and FAR region have being studied. All the results for the absorbance of the oil and CO2 were compared. Finally the optical study of oil solutions was observed at surface plasmon resonance (SPR) with incident light at an angle of 5 o with the metal film, finding a variation the 45 nm of refractive index unit. In the doctorate work the best results were obtained in the IR region of 4.3 μm , using as a source resistive elements and how detectors was utilized a thermopile, these results were obtained for a thick of oil of 6 cm.