Departamento de Engenharia Mecânica

AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DE SENSORES MEMS COMERCIAIS NAS CONDIÇÕES OPERACIONAIS DE FUNDO DE POÇO

Aluno: Igor Cavalcanti Miceli e Pedro Martins Gomes

Orientador: Arthur Martins Barbosa Braga

Introdução

Com o desenvolvimento ao longo dos anos de sistemas eletrônicos de de fibras óticas

de completação inteligente para poços, torna-se possível monitorar parâmetros de operação, em tempo real, como pressão, vazão e temperatura e possibilitando aos operadores otimizar essa produção.

A qualidade e nível de complexidade desses sistemas está diretamente relacionada ao número e o tipo de sensores e atuadores presentes nestes. Além disso, as condições adversas no fundo dos poços restringem a utilização de grande parte dos sensores comercialmente disponíveis.

Neste panorama, os sensores baseados em sistemas microeletrônicos (MEMS) se apresentam como uma possível solução para resolver esse problema e aumentar a quantidade de grandezas a serem monitoradas nos poços.

A grande maioria dos sensores disponíveis no mercado são classificados para pressões e temperaturas menores do que as necessárias para o controle e o monitoramento em poços de petróleo e gás. Este projeto de iniciação científica é realizado dentro de um projeto de pesquisa do Laboratório de Sensores e Fibra Óptica em colaboração com a BG-Brasil, que tem por objetivo desenvolver um sistema de monitoração baseado em diversos sensores MEMS.

Diariamente são realizados diversos experimentos para a caracterização de sensores, e de um sistema de comunicação baseado em elementos Piezoelétricos que geram uma enorme densidade de dados, implicando muito tempo de processamento e análise destes. Nesse contexto aluno Igor Miceli, possuindo conhecimento prévio da ferramenta Excel e de sua linguagem de programação (VBA), propôs e executou a criação e aplicação de rotinas e macros complexas para automatizar todo esse processo.

É importante ressaltar também, que esse relatório engloba a pesquisa e participação de dois alunos de Iniciação Científica, Pedro Gomes, que finalizou suas atividades no laboratório em fevereiro de 2018 e Igor Cavalcanti Miceli, que iniciou em março, dando continuidade à pesquisa e iniciando esse processo de otimização da análise dos dados, foco deste relatório.

Departamento de Engenharia Mecânica Embasamento Teórico

Os MEMs são estruturas que mesclam propriedades mecânicas e eletrônicas, com dimensões que variam de micrômetros a um milímetro. A principal característica dos MEMS é a capacidade de detecção de mudanças físicas em determinado meio (micro-sensores), gerando sinais elétricos, que são enviados e processados por sistemas microeletrônicos que acionam micro-atuadores, para a realização de determinada tarefa.

Toda essa versatilidade e utilidade, a quantidade de sistemas MEMS em utilização no mercado vem crescendo cada vez mais, com previsão de continuarem subindo, como visto na figura 2.

Figura 1: Previsão do mercado de MEMS até 2020

Transdutores piezoresistivos (PZTs) são materiais cerâmicos, cristais, compósitos e

polímeros que podem apresentar comportamentos de atuadores ou sensores, através do efeito piezoresistivo. O efeito piezoresistivo é o fenômeno de conversão de energia mecânica em elétrica e vice-versa. Isto é, ao aplicar uma tensão elétrica nos PZTs, eles deformam e ao aplicar uma tensão mecânica sobre suas superfícies eles geram uma tensão de saída.

Este fenômeno foi bastante explorado durante alguns dos testes feitos com a participação do aluno Pedro, nos quais aplicou-se diferenças de potenciais nos PZTs que, em resposta, se deformam e, estas deformações geram ondas transversais, o canal acústico*. Estas ondas se propagam, gerando uma deformação no outro PZT que, consequentemente converte esta energia em eletricidade, possibilitando assim, medir quanto de energia é fornecida e quanto é recebida entre os PZTs, medindo a eficácia do sistema.

Departamento de Engenharia Mecânica

Figura 2: Efeito Piezoelétrico

*Canais acústicos são meios de transmissão pelo qual viajam sinais portadores de informação entre um emissor e um receptor, que neste caso ambos serão PZTs.

Metodologia

A metodologia mostrada aqui é relativa apenas à parte realizada pelo aluno Igor

Miceli, uma vez que este foi responsável pela parte que mais queremos destacar neste relatório, que foi a otimização da análise dos resultados da caracterização do canal acústico.

O projeto feito envolveu primeiramente um aprendizado sobre o funcionamento do laboratório como um todo, aprendendo a utilizar os inúmeros equipamentos, aprender a fazer conexões e emendas em fibras ópticas, montagem de bancadas de teste e análise de dados coletados na execução destes testes, produção de diferentes tipos de adesivos, entre várias outras atividades que serão necessárias para as próximas etapas do projeto.

Também foi necessário um aprofundamento teórico em sensores piezoeléctricos, capacitivos e piezoresistivos, assim como em conceitos como resolução, seletividade e sensibilidade, para melhor entender seu funcionamento. Com esses conhecimentos somados às regras e normas de segurança do laboratório permitiram a utilização dos equipamentos envolvidos no projeto, como a câmara climática, banho térmico, entre outros para realizar diversos testes, em especial o teste na estufa, explicado minuciosamente abaixo.

O objetivo destes testes que foram realizados sob análise é avaliar a eficiência da transferência de energia para diferentes PZTs e adesivos em função da temperatura, avaliando sua viabilidade. Testes semanais ocorrem na câmara climática (estufa) para avaliar estes transdutores piezoelétricos, gerando milhões de dados a cada análise, muitos dos quais são repetidos e inúteis para nosso estudo, o que tornava esse estudo devagar e muito repetitivo. Por isso, foi desenvolvido e programada uma macro no programa Excel para cada tipo de teste para otimizar esse processo, com o objetivo de facilitar e agilizar em muito a identificação das

Departamento de Engenharia Mecânica características de cada transdutor sendo testado quando são afetados pelas condições de poço, neste caso, as variações de temperatura.

Experimentos Testes iniciais:

Os experimentos realizados com a participação do aluno Pedro, nos deram uma ideia

superficial sobre o funcionamento, utilização, interpretação de resultados dos PZTs e manuseio de adesivos e como estes influenciam na transmissão de energia entre PZTs.

Nos experimentos utilizamos PZTs simples e em arranjo de 1 MHz e 2 MHz de frequências de ressonância, de acordo com o fornecedor. Todo PZT que fica submerso é protegido por um componente que denominamos “housing”, que isola o PZT do meio líquido, evitando danos e alterações de dados. A figura abaixo ilustra as configurações de montagem em arranjo e simples, dentro dos housings:

Figura 3 - Configurações dos PZTs nos Housings a serem instalados.

Nossos primeiros testes consistiam em dois arcos de tubos metálicos instrumentados

com PZTs, conforme a figura abaixo:

Departamento de Engenharia Mecânica

Nesta configuração, um arco metálico ficava estático enquanto o outro arco realizava

movimentos de varredura com auxílio de componentes eletrônicos de alta precisão (componentes 1 e 2) controlados através do MatLab ou manualmente (componente 3). Entre os PZTs, o canal acústico se propagava através da água e coletamos uma razão entre energia transferida pelo PZT do arco móvel e energia recebida pelo PZT do arco estático.

Desta forma, fomos capazes de otimizar nossos resultados, diminuindo a possibilidade de desalinhamento entre os PZTs, dado que os motores eletrônicos realizavam amplas varreduras ao longo de dois eixos e ainda era rotacionado pelo goniômetro em torno de um deles.

Posteriormente, focamos em iniciar os estudos da transmissão de energia em função dos adesivos utilizados. Nesta etapa utilizamos uma configuração de tubos concêntricos com água no interstício entre eles, conforme a ilustração abaixo:

Figura 4- Ilustração do Teste

Analogamente ao primeiro caso, mediu-se a razão entre a energia emitida pelo PZT do tubo interno e a energia recebida pelo PZT externo. Dessa vez, foram utilizados adesivos de diversas viscosidades para determinarmos esta característica dos PZTs.

Após a realização dos primeiros testes, concluímos que, para podermos bem interpretar os resultados, seria necessário controlarmos a espessura de cada adesivo, restando somente a diferença dos próprios adesivos como diferença entre cada configuração de transmissão, logo esta seria a única variável medida nestes testes.

Para conseguirmos obter a mesma espessura em todas os testes utilizamos pesos de 0g (peso próprio do PZT) até 500g, que foram postos sobre os PZTs, para comprimir os adesivos durante seus processos de cura, que tiveram tempo e temperatura controlados.

Departamento de Engenharia Mecânica

Baseando-se nos conhecimentos adquiridos nesses testes, e dando continuidade ao estudo, foi desenvolvido novos testes para avaliar a eficiência da transferência de energia para diferentes PZTs e adesivos em função da temperatura, em especial o teste na câmara térmica (estufa). Teste estufa:

O teste desenvolvido para testar 4 tipos de adesivos diferentes, combinados com diferentes tipos de PZTs, é feito através de uma configuração mais simples e destina-se principalmente a permitir o teste de adesivos e PZTs em relação ao seu potencial de transferência de energia acústica. Nesta configuração, os PZTs são fixados nos lados opostos de uma placa de aço inoxidável ou alumínio, como visto na Figura 5 e Figura 6.

Figura 5- Ilustração do modelo gráfico

Figura 6- PZTs nas placas

A bancada de testes é composta pelo Vector Network Analyzer (VNA), um gerador de função, uma fonte de alimentação DC dual channel e uma câmara climática contendo as placas instrumentadas PZTs, como mostrado na Figura 7.

Departamento de Engenharia Mecânica

Figura 7- Bancada de teste

Para a avaliação dos adesivos e identificação do adesivo mais eficiente em termos de acústica transferência de energia, apenas um tipo de transdutor piezelétrico foi utilizado, o PZT 0, que é um transdutor circular com 25mm de diâmetro e frequência de ressonância igual a 1MHz. Até agora, dois dos quatro adesivos a serem analisados foram avaliados. A Figura 8 mostra a variação de temperatura durante todos os testes executados.

Figura 8- Variação da temperatura ao longo dos testes

Departamento de Engenharia Mecânica

O intervalo de temperatura definido na câmara climática foi o mesmo para todas as experiências. Com passos de 20 °C, um crescimento O programa foi ajustado de 20 °C à 120 °C seguido de um decréscimo de 120 °C para 20 °C, de modo que o sistema permaneceu por duas horas em cada etapa de temperatura. O tempo total de teste é de aproximadamente 22 horas. Figura 9 mostra o coeficiente de transferência de energia (S21) versus curvas de frequência, para cada adesivo e temperatura testados.

A distribuição do coeficiente de transferência de energia apresenta duas regiões principais, Regiões 1 e 2, onde os valores S21 atingir valores máximos. A primeira região está próxima da frequência de ressonância do transdutor (aprox. 1 MHz); o segundo é deslocado para a direita da primeira região. Estas regiões contêm picos que representam o freqüências onde o sistema poderia operar com eficiência otimizada. O primeiro pico é mais estreito e bem definido, mas o segundo pico é mais amplo. A frequência de operação do sistema escolhido será o pico mais próximo a freqüência de ressonância do PZT utilizado. Considerando que a freqüência ressonante do transdutor PZT utilizado é 1 MHz, é preferível ser o ponto de operação.

Figura 9- Coeficiente de transferência de energia (S21) versus curvas de frequência para os adesivos

Da Figura 9, o valor máximo e sua respectiva freqüência em função da temperatura podem ser determinados e plotados em um gráfico como o mostrado na figura 10, possibilitando a análise e compreensão dos dados.

Figura 10- Coeficiente de transferência de energia (S21) e frequência em função da temperatura dos adesivos 1 (esquerda) e 2 (direita)

Departamento de Engenharia Mecânica

Do ponto de vista do coeficiente de transferência de energia em função da temperatura, observa-se uma forte dependência com o adesivo 1, com uma expressiva atenuação. Por outro lado, para o adesivo 2, observa-se alguma flutuação em torno de 0,5 dB, porém, é evidente que o adesivo 2 apresenta o maior coeficiente de transferência de energia em função da temperatura. Quanto à frequência para o adesivo 1 observa-se uma diminuição linear, mas para o adesivo A4 verifica-se uma oscilação de 10 kHz Otimização dos testes:

Para realçar o processo de otimização e automatização realizado, foi escolhido o teste dos sensores realizados na estufa térmica do laboratório, cujo objetivo já foi explicitado acima.

Este teste tem uma duração aproximada de 22 horas, no qual ocorrem aquisições de dados a cada 10 minutos. Para enfatizar a quantidade de dados, foi escolhido um teste realizado no dia 10 de maio de 2018, que gerou uma planilha de dados de dimensões 1605 x 1080 (mostradas abaixo nas figuras 11 e 12), em um total de 1.733.400 dados.

Departamento de Engenharia Mecânica Figura 11- Número de linhas da planilha de dados

Figura 12- Número de colunas da planilha de dados

Como muitos desses dados gerados são repetidos e muitos não são alvo da análise feita por nós, necessita-se fazer uma filtragem desta tabela de dados, eliminando dados não necessários e organizando o resto de maneira simples e fácil de entender.

Para isso, foi criada uma macro que elimina todas as colunas repetidas, além de organizar as outras colunas de acordo com o que se deseja estudar, neste caso, mantendo-se a frequência e S21.

Em seguida é necessário encontrar os maiores valores de cada coluna de aquisição, uma vez que o objetivo é encontrar a maior frequência, e fazer a média e o desvio padrão destes.

Departamento de Engenharia Mecânica

Figura 13- Exemplo da planilha de excel esquematizada

Por último, para realizar a plotagem dos dados para realização da análise, foi feita uma terceira macro que pega todos os dados resultantes, das médias e desvios padrões, e coloca em uma tabela organizada, que então é copiada e, utilizando o programa Origin, plotada para obtermos as curvas finais de análise. Essa é a única parte manual deste processo todo e tem como resultado gráficos iguais aos da tabela 10.

Figura 14- Tabela Final

Departamento de Engenharia Mecânica

Conclusões

Com essa otimização da leitura de dados desses experimentos, análises que antes

demoravam algumas horas, agora podem ser feitas com um único clique de mouse e 5 minutos de trabalho para plotar os gráficos.

Isso tornou a leitura de dados um processo muito mais eficiente, facilitando e agilizando todo o processo de testes de novos PZTs e adesivos, aumentando ainda mais a quantidade possível de testes de combinações entre eles e análises de suas eficiências de transferência de energia.

Bibliografia

[1] GOMES, Pedro. Caracterização de Canal Acústico. Rio de Janeiro, Brasil. 2017. [2] TORRES, Henrique. MEMS – Sistemas Microeletromecânicos. Out. 2014