Use of ultrasonic sensors for the characterization of water-in-oil emulsions.

Neste trabalho foram usadas duas células ultrassônicas para a caracterização de emulsões de água em óleo, uma com linhas de retardo e a outra com espalhadores. Foi utilizado um transdutor ultrassônico comercial de 3,50 MHz, operando no modo pulso-eco, e as amostras testadas foram de água em óleo hidráulico, e de água em petróleo, com concentrações de água entre 0% e 50% em volume. A primeira célula permitiu medir as seguintes propriedades acústicas das amostras em função da concentração de água: velocidade de propagação, coeficiente de reflexão, impedância acústica, densidade e atenuação acústica. As primeiras quatro propriedades foram comparadas às obtidas pelo modelo teórico de misturas de Urick, resultando em uma diferença inferior a 2%. A atenuação acústica da água foi comparada com valores da literatura, tendo-se obtido um erro bastante maior. Com a segunda célula, foi realizado o monitoramento das emulsões, com a intenção de estudar a sensibilidade da célula e a estabilidade das emulsões em função da temperatura e da concentração de água. Para isto, foram utilizados os parâmetros: correlação cruzada, correlação cruzada com os sinais normalizados e energia de onda. Os resultados obtidos com a célula de espalhamento mostraram uma maior dependência com a concentração do que com o efeito de coalescência, o que sugere uma menor sensibilidade ao tamanho de gota. Inicial mente, foram realizados testes à temperatura de 25C, observando-se boa resolução para concentrações de água inferiores a 20% ao se empregar os métodos de correlação cruzada, e boa resolução em toda a faixa de concentrações medidas usando a energia de onda. Entretanto, após serem realizadas algumas modificações na célula, e na janela de análise dos sinais, a resolução aumentou para todos os parâmetros. Com a célula modificada, foram realizados experimentos às temperaturas de 20, 25 e 30C. As curvas de correlação cruzada e de energia de onda foram dependentes da concentração e independentes da temperatura (todas em superposição). Já a correlação cruzada com os sinais normalizados foi dependente de ambas as variáveis, sendo que, para cada temperatura, formaram-se retas de diferentes inclinações, cada vez mais negativa com o aumento da temperatura. O máximo desvio nas curvas de energia foi de 16%, nas de correlação cruzada foi de 6% e nas de correlação cruzada com os sinais normalizados foi de 0,37%. O modelo teórico sugeriu uma curva convexa para a velocidade de propagação e os resultados apresentaram um comportamento linear. No entanto, a partir do método proposto para o cálculo da velocidade, foram obtidos resultados coerentes, com uma diferença inferior a 2%.In this work, two ultrasonic sensors for the characterization of water-in-oil emul sions were used: one with delay lines and the other with scatterers. A 3.50 MHz commercial ultrasonic transducer operating in pulse-eco mode was used, and the samples tested were water in hydraulic oil and water in crude oil, with concentrations between 0% and 50%. The first sensor was used to measure the following acoustic properties of the samples as a function of the water concentration: propagation velocity, reflection coefficient, acoustic impedance, density and acoustic attenuation. The first four pro perties were compared with the Uricks theoretical model, resulting in an difference of less than 2%. The acoustic attenuation of the water was compared to the values from the literature, resulting in a greater error. With the second sensor, the emulsions were monitored to study the sensitivity of the sensor and the stability of the emulsions as a function of temperature and water concentration. For this, the parameters used were: cross correlation, cross correlation with normalized signals and wave energy. The main observation was a greater dependence on concentration than on the effect of coalescence, which suggests less sensitivity to the droplet size. Initially, tests were carried out at a temperature of 25C, with good resolution for water concentrations below 20% using the cross correlation methods, good resolution over the entire range of concentrations measured using wave energy. However, after making some modifications to the cell, and to the signal analysis window, the resolution increased for all parameters. Using the modified cell, experiments were carried out at temperatures of 20, 25 and 30C. The cross correlation and wave energy curves were dependent on concentration and independent on temperature (all of them in superposition). On the other hand, the cross correlation with the normalized signals was dependent on both variables. For each test temperature, the experimental data composed a different slope, which was more negative as the temperature increased. The maximum deviation is 16% in energy curves, 6% in cross correlation curves and 0.37% in cross correlation curves with normalized signals. The theoretical model suggests a convex curve for the velocity and the results presented a linear behavior. Nonetheless, using the proposed method for determining the propagation velocity, coherent results were obtained, with a theoretical relative difference of less than 2%