BR102018002230B1 - Aparelho para injetar um produto químico de fase líquida em um poço, sistema de injeção de fluido e métodos para injetar um fluido em um poço - Google Patents

Abstract

Um sistema de medição de deslocamento positivo mede a velocidade de deslocamento de um pistão livre em um cilindro de volume conhecido para determinar o caudal de um fluido para fora do cilindro. O sistema também pode medir e registrar as pressões de entrada e saída ou a pressão diferencial entre a entrada e a saída do fluido. O programa de controle posiciona uma válvula de quatro vias que pode funcionar como um orifício de medição ajustável em resposta ao caudal medido e/ou mudanças nas pressões de entrada e saída para atingir o caudal desejado. Ao final de cada curso, a válvula de quatro vias é reposicionada para reverter o fluxo de fluido através do cilindro de medição. O sistema pode rever as configurações da posição da válvula para traçados direto e reverso com base no tempo medido necessário para um curso completo do pistão dentro do cilindro em uma determinada posição da válvula ou uma taxa de movimento medida do pistão livre.

Description

REFERÊNCIA CRUZADA PARA PEDIDOS RELACIONADOS

[001] Este pedido reivindica o benefício do pedido de patente provisório US 62/453.351 depositado em 1 de fevereiro de 2017, cujos conteúdos estão incorporados a este documento pela referência nas suas totalidades.Declaração Com Relação a Pesquisa ou Desenvolvimento Afiançado Federalmente: NENHUMA

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO 1. Campo da Invenção.

[002] Esta invenção diz respeito a sistemas de injeção de produtos químicos para poços de petróleo e gás. Mais particularmente, ela diz respeito a sistemas de controle autônomos para injetar agentes de tratamento químico de fase líquida em poços submarinos.

2. Descrição da Técnica Relacionada Incluindo Informação Revelada de Acordo Com o 37 CFR 1.97 e 1.98.

[003] Uma variedade de agentes químicos é injetada em poços de hidrocarbonetos para o controle de corrosão, hidratos, asfaltenos, parafinas, carepa e de outros mais. Estes agentes químicos tipicamente estão na fase líquida e são bombeados para dentro do poço em uma taxa selecionada usando um sistema de injeção de produto químico. Para poços submarinos, o fornecimento e bomba de produto químico podem ficar localizados em uma plataforma de produção e comumente são conectados à cabeça de poço por meio de uma linha de cabo umbilical. Se medição do agente químico for executada somente na superfície, qualquer vazamento no cabo umbilical ou em seus conectores dará uma indicação errônea da quantidade de agente químico sendo injetado no poço. Além disso, cada poço submarino pode exigir seu próprio sistema de injeção na plataforma e linha de cabo umbilical de conexão.

[004] Certos sistemas de medição da técnica anterior empregam um orifício variável - um orifício ajustável que permite controle remoto de fluxo em cada poço. Outros sistemas de medição da técnica anterior contam com controle de fluxo de pressão compensada - um regulador de pressão ajustável e um orifício fixo podem manter um fluxo constante em cada poço.

[005] Medição de fluxo em uma faixa grande frequentemente é necessária durante a vida do poço. Medição com orifício é limitada em faixa e sujeita à cobertura com filme, entupimento e propriedades de fluido diferentes.

[006] Contaminação com particulado em linhas de injeção de produto químico extensas é inevitável e pode entupir os pequenos orifícios necessários para medição e controle. Filtros nas linhas são uma complicação adicionada afetando confiabilidade de sistema, aumentando custos de capital e exigindo serviço periódico (o que aumenta custos de operação).

[007] A patente Estados Unidos 6.973.936 para Richard R. Watson revela um sistema de injeção de fluido que controla a distribuição de fluido de uma linha de fornecimento para um poço selecionado em uma taxa ajustável. Um pistão livre (“barreira para fluido”) divide um cilindro em primeira e segunda câmaras. Uma válvula de múltiplas posições compreende uma primeira posição para passar fluido da linha de fornecimento para dentro da primeira câmara para deslocar fluido da segunda câmara para trás através da válvula para um ponto de injeção, e uma segunda posição para passar fluido da linha de fornecimento para a segunda câmara para deslocar fluido da primeira câmara para trás através da válvula para o ponto de injeção. Um sistema de controle em comunicação com um sensor de posição cronometra deslocamento do pistão livre para posições selecionadas, e ajusta seletivamente uma abertura de válvula variável para ajustar taxa de fluxo, comutar entre as primeira e segundas posições, e aumentar periodicamente a abertura de válvula para limpeza.

[008] As patentes Estados Unidos 8.555.914, 9.255.465 e 9.523.262, cujos conteúdos estão incorporados a este documento pela referência nas suas totalidades, revelam métodos para o controle autônomo de um sistema de injeção de produto químico para poços de petróleo e gás. Usando o aparelho revelado na patente Estados Unidos 6.973.936 e os métodos revelados nas patentes Estados Unidos 8.555.914, 9.255.465 e 9.523.262, nenhuma informação direta não está disponível a respeito da posição do pistão livre exceto nos limites de seu deslocamento. Isto pode ser um problema para sistemas de injeção tendo taxas de fluxo baixas - por exemplo, um ou dois galões (3,8 a 7,6 litros) por dia. Se o pistão ficar preso no meio do deslocamento ou o sistema de entrega de fluido ficar bloqueado de outro modo, essa situação pode não ser detectada durante um período de tempo estendido. Usando os sistemas da técnica anterior, isto não seria detectado até que o tempo esperado para um curso completo do pistão tivesse passado em que o sistema abriria a válvula adicionalmente em um esforço para eliminar a obstrução. A presente invenção resolve este problema.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[009] A presente invenção pode ser incorporada em um aparelho e um programa de controle para um sistema de medição de fluido de deslocamento positivo que mede o tempo exigido para um pistão livre (ou outra barreira para fluido) em um cilindro (ou em outro corpo de medição) de dimensões conhecidas se deslocar em uma certa distância e determina desse modo uma taxa de fluxo média durante esse movimento do pistão. O sistema também pode medir e gravar as pressões de entrada e de saída ou a pressão diferencial entre a entrada e saída de fluido. O controlador pode receber comandos de taxa de fluxo de uma cápsula de controle submarina de cliente e definir a taxa de fluxo ao abrir parcialmente uma válvula de quatro vias cada vez que a válvula é invertida.

[010] O programa de controle posiciona precisamente uma válvula de quatro vias que pode funcionar como um orifício de medição ajustável em resposta à taxa de fluxo medida e/ou mudanças nas pressões de entrada e de saída para alcançar a taxa de fluxo desejada. Na completação de cada curso, a válvula de quatro vias é reposicionada para inverter o fluxo de fluido através do cilindro de medição.

[011] O sistema pode revisar configurações de posições de válvula armazenadas para cursos tanto para frente quanto para trás com base no tempo medido exigido para movimento do pistão em uma distância conhecida. Deste modo, o sistema compensa iterativamente quaisquer mudanças em propriedades de fluido e pressão de fluido. Certas modalidades da invenção compreendem adicionalmente um ciclo de limpeza opcional que progressivamente abre a válvula de forma gradual e, se necessário, pode abrir totalmente a válvula em ambas as direções de fluxo de fluido a fim de remover uma obstrução do orifício de válvula. Constatou-se que construção de válvula do tipo de porta de vedação de cisalhamento é o projeto mais apropriado para operação confiável quando fluidos de alta pressão são contaminados com matéria particulada dura. O procedimento de operação padrão para desobstruir uma válvula deste tipo bloqueada é deslocá-la para as posições totalmente aberta e totalmente fechada. Isto permite que os particulados acumulados passem e que os elementos de vedação removam ou cisalhem quaisquer obstruções remanescentes. Ao empregar esta construção de válvula para a válvula de controle de duas posições e quatro vias e ao controlar o acionador de válvula em resposta ao tempo de curso de cilindro, controle de fluxo preciso com excelente resistência à contaminação resulta.

[012] O acionamento da válvula de controle de duas posições e quatro vias pode ser executado com um motor de passo (SM) convencional que aciona um fuso de esferas para converter rotação em movimento linear. Esta combinação tem sido comprovada como dando precisão muito alta para a posição linear da válvula. Esta precisão permite que a válvula seja aberta parcialmente, criando assim um orifício de precisão a cada vez que a válvula é mudada.

[013] À medida que a válvula é mudada para admitir fluxo para um primeiro lado e então para o outro lado do pistão de cilindro, taxa de fluxo é regulada pelo orifício de precisão criado pela válvula parcialmente aberta. Em certas modalidades, um tempo de permanência após o pistão de cilindro ter completado seu deslocamento e fluxo ter parado é incluído. Isto fornece controle preciso do volume de produto químico injetado no fluxo de produção de poço de petróleo ou de gás em um certo período de tempo.

[014] Um sistema de acordo com a invenção pode ser projetado para acomodar todos os produtos químicos usados atualmente para o controle de corrosão, hidratos, asfaltenos, parafinas e de carepa em poços de hidrocarbonetos. Mudanças de viscosidade ou de densidade do fluido não exigem recalibração do sistema de medição de deslocamento positivo. Dados de verificação podem ser enviados para a cápsula de controle submarina de cliente.

[015] Usar uma pluralidade de sistemas de acordo com a invenção pode fornecer garantia de fluxo de produto químico de tratamento para múltiplos poços submarinos a partir de um único cabo umbilical.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DAS DIVERSAS VISTAS DOS DESENHOS

[016] A figura 1A é um diagrama esquemático de um aparelho de injeção de produto químico da técnica anterior.

[017] A figura 1B é um desenho esquemático de um sistema de injeção de produto químico equipado com um sensor linear para detectar qualquer posição do pistão livre dentro do cilindro de medição.

[018] A figura 2 é um gráfico do fluxo produzido por uma válvula de controle representativa particular como uma função do número de passos executados por um motor de passo acionando o atuador da válvula.

[019] A figura 3A e a figura 3B são partes separadas de um fluxograma de um primeiro método para controlar o aparelho representado na figura 1B.

[020] A figura 4A e a figura 4B são partes separadas de um fluxograma de um segundo método para controlar o aparelho representado na figura 1B.

[021] A figura 5A e a figura 5B são partes separadas de um fluxograma de um terceiro método para controlar o aparelho representado na figura 1B.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[022] A figura 1A ilustra esquematicamente um sistema de injeção de produto químico 10 da técnica anterior que compreende um corpo de medição 12 interligado com um sistema de controle (Módulo de Controle Eletrônico (ECM)) 14 e uma válvula de múltiplas posições 16 acionada pelo atuador 45. O corpo de medição 12 tem um furo para conter fluido químico para ser entregue para um poço. Um pistão livre móvel axialmente 22 no furo 20 divide corpo de medição 12 nas primeira e segunda câmaras de volumes variáveis 24, 26. O pistão livre 22 veda contra o corpo de medição 12 com um componente de vedação tal como um anel O. O corpo de medição 12 e o pistão livre 22 convencionalmente compreendem uma montagem de cilindro e de pistão, tal como mostrado. Primeira e segunda portas de entrada-saída são fornecidas para passar fluido para dentro e para fora das primeira e segunda câmaras 24, 26. A linha de fornecimento 33 fornece fluidos químicos em pressão alta através da válvula de múltiplas posições 16 para o corpo de medição 12.

[023] Em uma primeira posição de válvula mostrada na figura 1A, ilustrada conceitualmente por meio de alinhamento dos segmentos de linha paralelos 18 com as linhas 31 e 33, fluido passa pela linha de fornecimento 33, através da válvula de múltiplas posições 16, pela linha 27 e para dentro da câmara 24. À medida que fluido passa para dentro da câmara 24, pressão de fluido impele o pistão livre 22 na direção de uma extremidade do corpo de medição 12, diminuindo o volume da segunda câmara 26 e deslocando o fluido para fora do corpo de medição 12. Fluido saindo do corpo de medição 12 passa através da linha 29, para trás através da válvula 16 e para fora através da linha 31 e da válvula de retenção 47’ para um ponto de injeção no poço.

[024] Em uma segunda posição (não mostrada), a qual pode ser visualizada conceitualmente ao deslizar as linhas de fluxos cruzados 15 na válvula 16 para a direita para alinhar com as linhas 31 e 33, fluido passa pela linha de fornecimento 33, através da válvula de múltiplas posições 16, pela linha 29 e para dentro da câmara 26. À medida que fluido passa para dentro da câmara 26, pressão de fluido impele o pistão livre 22 na direção de uma extremidade do corpo de medição 12, diminuindo o volume da câmara 24 e deslocando o fluido para fora do corpo de medição 12. Fluido saindo do corpo de medição 12 passa através da linha 27, para trás através da válvula 16 e para fora através da linha 31 para o mesmo ponto de injeção no poço. Assim, ao inverter repetidamente a direção da válvula de múltiplas funções 16 após o pistão livre 22 ter alcançado uma posição selecionada, o fluido pode ser passado continuamente da linha 33 para a linha 31 e dali para o ponto de injeção no poço.

[025] Os sensores de posição 38 e 40 são incluídos para detectar certas posições pré-selecionadas distintas do pistão livre 22. Os sensores de posição 38, 40 estão em comunicação com o sistema de controle 14 tal como representado pelas linhas tracejadas 39, 41 por meio de recursos convencionais, tais como por fio, fibra ótica ou sinal sem fio. Quando o pistão livre 22 alcança as posições pré-selecionadas, os sensores de posição 38, 40 sinalizam para o sistema de controle 14, e em resposta a isso o sistema de controle 14 pode inverter seletivamente a posição da válvula de múltiplas posições 16 para inverter a direção de deslocamento do pistão livre 22.

[026] Por causa de as posições selecionadas serem conhecidas, deslocamento relativo do pistão livre 22 também é conhecido, correspondendo a um deslocamento volumétrico conhecido de fluido do corpo de medição 12, computado como o produto do deslocamento do pistão livre 22 pela área seccional transversal do furo 20. O sistema de controle 14 inclui um timer interno para cronometrar deslocamento do pistão livre 22 entre as posições selecionadas, tal como sinalizado pelos sensores de posição 38, 40. Uma taxa de fluxo volumétrica por esta razão também é conhecida, a qual pode ser computada como o deslocamento volumétrico dividido pelo tempo de deslocamento. A válvula de múltiplas posições 16 inclui uma abertura de válvula variável para controlar fluxo entre a linha de fornecimento 33 e o corpo de medição 12. O sistema de controle 14 ajusta seletivamente a abertura de válvula variável em resposta ao movimento cronometrado do pistão livre 22. Se o tempo de movimento de pistão for muito grande, indicando uma taxa de fluxo menor que uma taxa de fluxo desejada, o sistema de controle 14 pode aumentar a abertura de válvula variável para aumentar a taxa de fluxo. De modo oposto, se o tempo de movimento de pistão for muito pequeno, indicando uma taxa de fluxo maior que a taxa de fluxo desejada, o sistema de controle 14 pode diminuir seletivamente a abertura de válvula para reduzir a taxa de fluxo. A taxa de fluxo da entrega de fluido para o poço é controlada desse modo.

[027] Tal como mostrado na figura 1A, as posições selecionadas do pistão livre 22 preferivelmente são as posições do pistão livre 22 tendo alcançado uma ou outra extremidade do corpo de medição 12. As posições selecionadas do pistão livre 22 alternativamente podem estar em qualquer lugar ao longo da faixa de deslocamento do pistão livre 22, e não precisam estar nas extremidades do corpo de medição 12. Em modalidades típicas, tal como ilustrado, os sensores de posição 38, 40 ficam substancialmente nas mesmas posições axial tais como as posições selecionadas. Sensores de posição convencionais tais como pinos impulsionados por molas ou sensores de proximidade magnéticos ou infravermelhos podem ser usados. Em outras modalidades, os sensores de posição de modo concebível não precisam ficar alinhados axialmente com as posições selecionadas. Um sensor de posição pode compreender adicionalmente os transdutores de pressão (PT) opcionais 49 e 49’. Estes tipos de sensores de posição podem detectar posição implicitamente, tal como quando existe uma queda repentina de pressão na linha 31 à medida que o pistão livre alcança uma extremidade do corpo de medição 12. Válvulas de portas opcionais no pistão livre 22 podem ser incluídas para vedar as saídas do corpo de medição 12 quando o pistão livre 22 alcança uma extremidade do corpo de medição 12. Isto pode diminuir mais expressivamente a pressão na linha 31, e pode fornecer desse modo uma indicação mais distinta de que o pistão livre 22 alcançou o final de seu deslocamento. Uma indicação como esta pode fornecer uma reserva para confirmar ou substituir os sensores de posição 38 e 40.

[028] Os termos “primeira posição” e “segunda posição” em conexão com a válvula 16 se referem de uma maneira geral à direção de fluxo resultante, em vez de uma posição fixa de componentes da válvula 16, porque de uma maneira geral existe um grau de ajustabilidade em cada uma das duas posições, tal como para ajustar taxa de fluxo.

[029] Dispositivos de Efeito Hall usados em detecção de movimento e chaves limites de movimento podem oferecer confiabilidade aprimorada em ambientes extremos. Como não existem partes móveis envolvidas dentro do sensor ou ímã, expectativa de vida típica é aumentada quando comparada à de comutadores eletromecânicos tradicionais. Adicionalmente, o sensor e ímã podem ser encapsulados em um material de proteção apropriado. Dispositivos de Efeito Hall quando acondicionados de modo apropriado ficam protegidos contra poeira, sujeira, lama e água. Estas características tornam os dispositivos de Efeito Hall particularmente preferidos em um sistema de acordo com a presente invenção para detecção de posição de pistão quando comparados a dispositivos alternativos tais como de detecção ótica e eletromecânica.

[030] Controlar fluxo para alguns galões (litros) por dia em queda de pressão de várias centenas de libras por polegada quadrada (quilos por centímetro quadrado) exige um orifício muito pequeno exatamente de alguns milésimos de uma polegada (centímetro). A válvula usada em uma modalidade preferida particular da invenção é uma válvula de vedação de cisalhamento do tipo de porta com uma razão de uso de 2.880:1. Esta válvula fornece o pequeno orifício exigido e inverte fluxo para cada carga de deslocamento positivo de maneira que entupimento seja evitado.

[031] Certos sistemas da técnica anterior têm usado filtros para evitar entupimento por particulado de pequenos orifícios de controle de fluxo, mas estes filtros tipicamente precisam ser reparados por meio de serviço submarino que é muito caro. Dispositivos da técnica anterior também têm usado orifícios capilares que são maiores em área para uma dada restrição para fluxo e estes podem ser feitos para ajustar seu diâmetro de furo por meio de uma rosca de parafuso de casamento afunilada e assim taxas de fluxo podem ser mudadas e uma abertura maior temporária pode ser usada para fornecer limpeza de contaminação. Com cada uma destas soluções, medição em uma faixa ampla de taxas de fluxo é uma tarefa necessária separada que exige instrumentação de fluxo cara; fluxo não pode ser medido precisamente pela perda de pressão através de um orifício de restrição desconhecida tal como é a situação com entupimento parcial com particulado. A presente invenção pode incluir dispositivos para criar o pequeno orifício de medição com uma válvula do tipo porta de 4 vias que é mudada constantemente para evitar entupimento e que também pode ser aberta totalmente para permitir que particulado passe. Além do mais, o sistema fornece medição muito precisa do fluxo que é imune a entupimento parcial ou mudança em propriedades de fluido ou cobertura com filme do orifício - todas as condições que estão presentes e que podem prejudicar medidores convencionais que contam com uma queda de pressão através de um orifício.

[032] Os transdutores de pressão 49 e 49’ podem prover o controlador com mais informação com a qual pode estabelecer o grau de abertura de válvula, mas eles não podem medir ou verificar a taxa de fluxo. Medição e verificação da taxa de fluxo são fornecidas pelos circuitos de sincronismo e pelo sensor de posição linear 46 no cilindro de deslocamento positivo. Em certas modalidades, um ou mais sensores adicionais podem ser fornecidos para detectar deslocamento total do pistão dentro do cilindro.

[033] Se o pistão no cilindro de deslocamento não completar o curso no tempo esperado, uma condição que indica entupimento, o controlador pode acionar a válvula de 4 vias para a posição totalmente aberta para permitir que resíduos passem.

[034] Um orifício não pode ser usado como um dispositivo de medição de fluxo submarino confiável porque ele está sujeito a entupimento e cobertura com filme (revestimento) pelos produtos químicos que o atravessam. Os produtos químicos que são medidos em um sistema de injeção de produto químico para um poço de hidrocarboneto podem ter características de cobertura com filme como um traço desejado. Dispositivos de medição de fluxo comuns da técnica anterior usam uma medição de perda de pressão através de um orifício para indicar fluxo. Se um sistema de medição de queda de pressão barato não puder ser usado, as alternativas convencionais são caras. Adicionalmente, nenhum outro dispositivo de medição tal como turbina, ultrassônico, vórtice ou do tipo térmico de massa não pode casar com a faixa de um cilindro de deslocamento de acordo com a presente invenção; todos eles são limitados para faixa total de 100:1 a 200:1. Isso significa que eles podem medir exatamente 1 galão por dia (GPD) (3,8 litros por dia) até cerca de 200 GPD (757,1 L/dia). Um sistema de acordo com a presente invenção pode medir 1 GPD (3,8 L/dia) até acima de 3.000 GPD (11.356,2 L/dia). Também, muitos produtos químicos de tratamento de poço são fluidos não newtonianos - isto é, sua viscosidade muda com pressão em um modo não linear, uma característica que torna a medição de fluxo precisa mais desafiadora para muitas tecnologias de medição da técnica anterior, mas que não tem efeito em um sistema que emprega um cilindro de deslocamento positivo.

[035] O sistema de injeção de produto químico pode compreender um processador e o método pode ser implementado como instruções para o processador que podem ser armazenadas em uma mídia de armazenamento. O processo pode começar com um operador introduzindo a taxa de fluxo desejada do produto químico a ser injetado. A taxa de fluxo pode ter as dimensões de volume de unidade por unidade de tempo. As taxas de fluxos para sistemas de injeção de produtos químicos usados em conexão com poços de petróleo e gás na indústria de energia doméstica frequentemente são expressadas em galões por dia (GPD) (litros por dia). Em certas modalidades, introdução da taxa de fluxo desejada pode ser realizada por um operador situado em uma plataforma de produção ao largo e o comando pode ser transmitido para o controlador na cabeça, ou perto dela, de poço submarino por meio de um cabo umbilical. O comando também pode ser transmitido por meio de um sistema de telemetria a partir de uma instalação em terra firme ou de uma outra unidade ao largo.

[036] Em uma modalidade preferida particular, inicialização de sistema inclui acionar o atuador de válvula para um limite mecânico ao comandar um motor de passo acionando o atuador para executar um número de passos em uma direção que excede o número de passos determinado anteriormente para corresponder ao deslocamento total do atuador. Uma ou mais inversões do atuador seguidas por deslocamento “para frente” tentado em excesso ao deslocamento inverso pode ser usado para assegurar que o atuador está firme contra o limite mecânico. Assim, embora a posição inicial da válvula possa ser desconhecida na partida de sistema, uma rotina de inicialização pode ser usada para deslocar a válvula para uma posição conhecida. O sistema pode determinar configurações de válvula iniciais (número de passos) para ambas as posições de válvula para frente e para trás da taxa de fluxo desejada introduzida, uma curva de fluxo armazenada (por exemplo, a figura 2) e dados de posição de fracionamento de válvula - isto é, o número de passos da posição fechada de válvula para o ponto no qual o orifício de válvula começa a abrir em uma certa direção. Em uma modalidade preferida particular, inicialização inclui deslocar o atuador de válvula da posição de limite mecânico para uma posição fechada “central” (mostrada como 19 nas figuras 1A e 1B) definida para ser o ponto médio entre a posição de fracionamento de válvula “para frente” e a posição de fracionamento de válvula “inversa”. A título de exemplo, usando a curva de fluxo da figura 2, se a taxa de fluxo desejada for de 40 GPD (151,4 L/dia) e a posição de fracionamento de válvula para frente for de 33 passos a partir da posição fechada “central”, então a configuração de válvula para frente inicial seria de 171 passos a partir do centro (138 + 33). Constatou- se que a posição de fracionamento de válvula é dependente de válvula e pode variar de válvula para válvula e/ou mudar seguinte à manutenção na válvula ou no atuador de válvula. As configurações de válvula para frente e para trás iniciais podem ser carregadas em registros designados para essa função.

[037] Dados de curva de fluxo podem ser na forma de uma curva de fluxo digitalizada tal como a curva representada na figura 2. Em uma modalidade preferida particular, dados de fluxo são tabelados para cada passo de uma válvula acionada por motor de passo. Em outras modalidades, os dados de curva de fluxo podem ser na forma de uma representação matemática - por exemplo, valores de inclinação e de interseção para uma curva de fluxo substancialmente linear. No caso de modalidades usando curvas digitalizadas, o sistema pode compreender recursos para interpolação entre pontos de dados usando técnicas de ajuste de curva convencionais.

[038] Em certas modalidades (não mostradas), as entradas iniciais de sistema podem incluir a seleção de uma curva de fluxo particular que pode ser associada com um produto químico particular ou mistura de produtos químicos a ser injetada ou com uma certa propriedade do fluido a ser injetado - por exemplo, a gravidade específica do fluido, a viscosidade do fluido, a concentração de ingrediente(s) ativo(s) em um solvente ou coisa parecida. Também em outras modalidades, a entrada inicial pode incluir um fator de correção que o sistema pode usar para modificar uma curva de fluxo de uso geral armazenada anteriormente para uso com um produto químico ou propriedade química específica - isto é, a curva de fluxo armazenada pode ser para soluções aquosas diluídas e um fator de correção fornecido permite ao sistema adaptar a curva para um fluido tendo propriedades reológicas substancialmente diferentes. Será percebido, entretanto, que um sistema de acordo com a presente invenção que compensa automaticamente fluidos tendo propriedades diferentes e adapta a curva de fluxo para um fluido específico fornece uma vantagem somente nas configurações iniciais da posição de válvula e nas primeiras poucas computações de correções de configurações de válvula.

[039] Enquanto fluido está fluindo, as saídas dos transdutores de pressão 49 e 49’ podem ser amostradas periodicamente e uma pressão diferencial (ΔP) pode ser armazenada pelo controlador 14. Em uma modalidade preferida particular, um ΔP de média móvel é armazenado pelo controlador 14 junto com os três valores de ΔP mais recentes em uma pilha FIFO. Algoritmos de filtragem adicionais podem ser aplicados para eliminar ou reduzir a influência de picos de pressão que podem ser encontrados durante um curso.

[040] Uma correção de configuração de válvula também pode ser refinada por meio de um fator se relacionando com uma mudança no ΔP médio do curso de pistão anterior. Em certas modalidades, o fator de correção de ΔP pode ser uma função (totalmente ou parcialmente) de valores de ΔP selecionados tais como, por exemplo, os três valores de ΔP mais recentes armazenados na pilha FIFO da modalidade ilustrada. Especialmente em taxas de fluxo relativamente baixas, uma mudança em ΔP imediatamente antes do final do curso pode ser mais indicativa de que o ΔP provavelmente será encontrado durante o próximo curso para frente.

[041] A correção de ΔP pode ser derivada de valores determinados empiricamente de taxa de fluxo em várias pressões diferenciais. Em outras modalidades, a correção de ΔP pode ser calculada a partir de uma função que relaciona fluxo (ou passos do motor acionador de válvula 45) com ΔP.

[042] Deve ser percebido que o processo da presente invenção funcionará sem dados de ΔP - isto é, a ausência ou falha do sensor de pressão 49 e/ou 49’ não incapacitará o sistema. As correções computadas a partir de tempos de movimento de pistão compensarão mudanças em ΔP. O uso de informação de ΔP pode capacitar o sistema para fazer melhores predições da configuração de válvula necessária para produzir a taxa de fluxo desejada. Entretanto, o processo iterativo “concentrará atenção” na configuração correta mesmo sem estes dados.

[043] Uma modalidade exemplar da invenção está ilustrada na figura 1B. A figura 1A ilustra um sistema de injeção de produto químico (CIS) da técnica anterior para comparação. É similar aos sistemas descritos nas patentes US 6.973.936, 8.555.914, 9.255.465 e 9.523.262, mas compreende adicionalmente as válvulas de retenção 47 e 47’ nas linhas 33 e 31, respectivamente e a posição fechada 19 para a válvula de múltiplas posições 16. O CIS 10 na figura 1A é equipado com os sensores de Efeito Hall (HS) 38 e 40 para detectar quando o pistão 22 está em um final de seu curso e consequentemente a válvula de múltiplas posições 16 deve ser comutada dos caminhos de fluxos paralelos 18 para os caminhos de fluxos cruzados 15 (ou vice- versa). Entretanto, no CIS 10, se o fluxo do fluido de tratamento químico ficar lento ou se tornar completamente bloqueado ou for interrompido de outro modo (e o pistão 22 permanecer em uma posição intermediária entre os sensores 38 e 40), a paralisação pode não ser detectada até que um timer predefinido expire sem o pistão 22 alcançar um final de seu curso (e ativar o sensor 38 ou o sensor 40). Isto é um problema particular em sistemas de injeção de produtos químicos em que a taxa de fluxo desejada é baixa em relação ao volume do cilindro 12 - por exemplo, uma taxa de injeção de 1 galão (3,8 litros) por dia em um CIS tendo um cilindro de medição 1/2 galão (1,9 litro). A falha de um sistema como este pode não ser detectada durante 12 horas - o período nominal para um único curso do pistão 22.

[044] O CIS 10’ ilustrado na figura 1B é um melhoramento no CIS 10 de técnica anterior (mostrado na figura 1A). O CIS 10’ compreende o sensor de posição de pistão linear 46 no lugar dos sensores 38 e 40 do CIS 10. O sensor linear 46 pode ser responsivo seletivamente a todas as posições do pistão livre 22. Deste modo, falta de movimento na parte do pistão 22 pode ser detectada rapidamente. Também em outras modalidades, o CIS 10’ pode compreender adicionalmente os sensores 38 e 40 (tais como ilustrados na figura 1A) para detectar deslocamento total do pistão 22 e/ou funcionar como uma reserva para o sensor linear 46. Na modalidade ilustrada, o sensor linear 46 compreende um conjunto de sensores de Efeito Hall.

[045] Um sensor de Efeito Hall é um tipo de sensor cujo sinal de saída é uma função da densidade de campo magnético em volta dele. Sensores de Efeito Hall lineares ou analógicos fornecem uma saída de tensão contínua que aumenta com um campo magnético forte e diminui com um campo magnético fraco. Em sensores de Efeito Hall de saída linear, à medida que a intensidade do campo magnético aumenta, o sinal de saída do amplificador também aumenta até que ele comece a saturar pelos limites impostos a ele pelo fornecimento de energia. Qualquer aumento adicional no campo magnético não terá efeito sobre a saída, mas a impulsionará ainda mais para saturação.

[046] Sensores de Efeito Hall de saída digital têm um disparador de Schmitt com histerese incorporada conectado a um amplificador operacional. Quando o fluxo magnético passando pelo sensor Hall excede um valor predefinido, a saída do dispositivo comuta rapidamente entre os estados “DESLIGADO” e “LIGADO” sem qualquer trepidação de contato. A histerese incorporada elimina oscilação do sinal de saída à medida que o sensor desloca para dentro e para fora do campo magnético - sensores de saídas digitais têm exatamente dois estados, “LIGADO” e “DESLIGADO”.

[047] Outros tipos de sensores de posição lineares estão disponíveis. As tecnologias mais comuns usadas são de Efeito Hall, indutivas, magneto-resistivas e resistivas. Posição linear pode ser medida usando dispositivos tais como transformadores diferenciais variáveis lineares (LVDT) e potenciômetros lineares.

[048] Sensores magneto-resistivos são dispositivos que detectam deslocamento linear, angular ou rotacional em um campo magnético saturado. Eles podem compreender um ou mais elementos de detecção de ponte de Wheatstone de quatro elementos de modo saturado que produzem uma tensão relacionada com a direção de fluxo magnético que está passando sobre o sensor. Múltiplos elementos de ponte podem fornecer faixa estendida para medição angular. Eles são altamente precisos, capazes de determinar de modo melhor posição em frações de milímetros, manuseiam grandes variações na distância entre ímã e sensor e são insensíveis a choque e vibração.

[049] Também em outras modalidades, o corpo de medição 12 é transparente ou tem uma janela transparente se estendendo longitudinalmente ao curso completo do pistão 22. Em tais modalidades, o sensor linear 46 pode ser um sensor ótico.

[050] A inclusão dos sensores 38 e 40 no sistema 10’ fornece redundância no caso de falha do sensor de pistão linear 46. Por exemplo, se nenhuma saída (ou nenhuma saída de mudança) não for recebida do sensor de pistão linear 46, comutação da válvula de múltiplas posições 16 de uma primeira posição, para passar fluido da linha de fornecimento para dentro da primeira câmara, para uma segunda posição, para passar fluido da linha de fornecimento para a segunda câmara (isto é, da posição de válvula 15 para a posição de válvula 18), pode ser executada mediante acionamento do sensor 38 ou 40 responsivo à barreira para fluido estar em uma extremidade do corpo de medição. Operação autônoma adicional de sistema 10’ pode continuar mesmo com uma falha do sensor linear 46 ao cronometrar o intervalo a partir do acionamento do sensor 38 responsivo à barreira para fluido estar em uma primeira extremidade do corpo de medição para o acionamento do sensor 40 responsivo à barreira para fluido estar em uma segunda extremidade do corpo de medição, calcular uma taxa de fluxo de fluido real a partir do intervalo cronometrado (e do volume conhecido do corpo de medição), e ajustar o tamanho da abertura de válvula variável para minimizar qualquer diferença entre a taxa de fluxo de fluido real calculada e a taxa de fluxo de fluido desejada.

[051] Métodos exemplares de usar o aparelho ilustrado na figura 1B incluem: um método no qual um “passo” distinto na saída do sensor de posição de pistão linear 46 deve ocorrer dentro de um limite de tempo predefinido a fim de que entrega de fluido seja continuada na configuração de válvula corrente; um método no qual qualquer mudança na saída do sensor de posição de pistão linear 46 (digital ou analógico) é considerada como uma indicação de movimento de pistão; e um método no qual a taxa de mudança na saída do sensor de posição de pistão linear 46 é usada para computar a taxa de fluxo de fluido real corrente e a configuração de válvula é ajustada para compensar qualquer diferença entre a taxa de fluxo de fluido real corrente e a taxa de fluxo de fluido desejada introduzida pelo operador.

[052] Um método particular em que um “passo” distinto na saída do sensor de posição de pistão linear 46 deve ocorrer dentro de um limite de tempo predefinido a fim de que entrega de fluido seja continuada na configuração de válvula corrente está ilustrado em forma de fluxograma nas figuras 3A e 3B. Este método pode ser usado com o aparelho ilustrado na figura 1B em que o sensor linear 46 compreende um conjunto de sensores de Efeito Hall que são equipados com disparadores de Schmidt de tal maneira que a ativação de um sensor adjacente por movimento do pistão 22 pode ser detectada como um “passo” - isto é, um sensor no conjunto comutando de um estado LIGADO para um estado DESLIGADO e um sensor adjacente no conjunto comutando de um estado DESLIGADO para um estado LIGADO.

[053] O método pode começar no bloco 600 com o operador introduzindo uma taxa de fluxo de fluido desejada. Esta informação pode ser comunicada para o módulo de controle eletrônico (ECM) 14 por meio de um cabo umbilical (linha de traços e pontos na figura 1B). No bloco 602, o ECM 14 pode então executar uma pesquisa em tabela (com interpolação, se necessário) para determinar a configuração de válvula esperada para produzir a taxa de fluxo desejada. Usando o motor de passo 45, o ECM 14 pode então posicionar válvula de medição 16 para a configuração computada.

[054] A partir da distância que o pistão 22 deve ser deslocado para produzir uma mudança (“passo”) detectável na saída do sensor linear 46 e das dimensões do corpo de medição 12, o tempo (CT) exigido para produzir um passo do sensor 46 na taxa de fluxo desejada pode ser computado (no bloco 604).

[055] No losango de decisão 606, o sistema pode detectar se o pistão 22 está no seu limite esquerdo de deslocamento. Neste caso (derivação SIM em 606), a válvula é comutada (em 608) para a posição de fluxo paralelo 18 e um timer é configurado para medir o tempo exigido para um curso completo do pistão 22 poder ser iniciado (em 613). No losango de decisão 610, o sistema pode detectar se o pistão 22 está no seu limite direito de deslocamento. Neste caso (derivação SIM em 610), a válvula é comutada (em 612) para a posição de fluxo cruzado 15 e um timer é configurado para medir o tempo exigido para um curso completo do pistão 22 poder ser iniciado (em 613).

[056] No bloco 614, um timer configurado para medir o tempo exigido para o pistão 22 produzir um “passo” na saída do sensor linear 46 pode ser iniciado. No losango de decisão 618, o sistema pode detectar um passo e restabelecer o timer de passo (em 616). Se e quando passo não for detectado (derivação NÃO em 618), o sistema pode detectar se o pistão 22 está em um limite de seu deslocamento (em 620). Se assim, (derivação SIM em 620) o sistema pode prosseguir para executar a rotina de inversão de válvula (em 644) descrita a seguir. Se o pistão 22 não estiver em um limite de deslocamento (derivação NÃO em 620), o sistema pode consultar o timer de passo (em 622) para determinar se o valor de timer de passo excedeu 150% (ou outra porcentagem selecionada) do tempo de passo computado (CT). Se não (derivação NÃO em 622), o sistema pode continuar a esperar por um passo para ser detectado. Se o limite de tempo for excedido (derivação SIM em 624), o sistema pode abrir a válvula 16 (em 624) com um número pré-selecionado de passos (X) em um esforço para aumentar a taxa de fluxo.

[057] No losango de decisão 626, o sistema de novo espera que um passo ocorra. Se um passo for detectado (derivação SIM em 626), o timer de passo é restabelecido (em 616) e o processo continua (em 614). Se nenhum passo não for detectado (derivação NÃO em 626), o sistema pode determinar (em 628) se o pistão 22 está em um limite de seu deslocamento, e se assim (derivação SIM em 628) pode prosseguir para a rotina de inversão de válvula (em 644).

[058] Se o pistão 22 não estiver em um limite de deslocamento (derivação NÃO em 628), o sistema pode consultar o timer de passo (em 630) para determinar se o valor de timer de passo excedeu 200% (ou outra porcentagem selecionada) do tempo de passo computado (CT). Se não (derivação NÃO em 630), o sistema pode continuar a esperar que um passo seja detectado. Se o limite de tempo for excedido (derivação SIM em 630), o sistema pode abrir a válvula 16 com um número pré- selecionado adicional (Y) de passos (em 632) em um esforço adicional para aumentar a taxa de fluxo.

[059] No losango de decisão 634, o sistema de novo espera que um passo ocorra. Se um passo for detectado (derivação SIM em 634), o timer de passo é restabelecido (em 616) e o processo continua (em 614). Se nenhum passo não for detectado (derivação NÃO em 634), o sistema pode determinar (em 636) se o pistão 22 está em um limite de seu deslocamento, e se assim (derivação SIM em 636) pode prosseguir para a rotina de inversão de válvula (em 644).

[060] Se o pistão 22 não estiver em um limite de deslocamento (derivação NÃO em 636), o sistema pode consultar o timer de passo (em 638) para determinar se o valor de timer de passo excedeu 300% (ou outra porcentagem selecionada) do tempo de passo computado (CT). Se não (derivação NÃO em 638), o sistema pode continuar a esperar que um passo seja detectado. Se o limite de tempo for excedido (derivação SIM em 630), o sistema pode prosseguir (em 640) para um ciclo de limpeza (tal como descrito anteriormente) em um esforço para eliminar uma possível obstrução na válvula. O sistema pode então ser reiniciado (em 642).

[061] A rotina de inversão de válvula 644 está ilustrada como um fluxograma na figura 3B. No bloco 646, a taxa de fluxo de fluido real pode ser computada a partir do volume conhecido do corpo de medição 12 (menos o volume do pistão 22) e do tempo gasto para o pistão 22 ser deslocado de um limite para o outro (tal como medido pelo timer de curso completo). A posição de válvula (por exemplo, número de passos do motor de passo 45 a partir de uma posição de referência) que produziu a taxa de fluxo medida pode então ser armazenada em uma tabela (em 648). Deste modo, a tabela de taxa de fluxo versus posição de válvula pode ser atualizada com cada ciclo do pistão 22. Se a válvula 16 foi aberta com passos adicionais durante o ciclo (por exemplo, em 632 e/ou 624), a configuração de posição de válvula armazenada pode ser uma média ponderada em tempo das posições de válvula usadas durante o curso do pistão 22 ou ajustada de outro modo. Em uma modalidade, a tabela de posições de válvula pode não ser atualizada no caso em que mais de uma posição de válvula foram usadas durante um curso.

[062] Se a taxa de fluxo medida diferir da taxa de fluxo desejada, o sistema pode estimar (em 650) a configuração de válvula exigida para produzir a taxa de fluxo desejada. Deste modo, o sistema se ajusta iterativamente para alcançar a taxa de fluxo desejada.

[063] No bloco 652, a direção de deslocamento do pistão 22 é invertida ao comutar a válvula 16 da posição de fluxo cruzado 15 para posição de fluxo paralelo 18, ou vice-versa. A válvula 16 pode então ser posicionada (em 654) para fornecer a taxa de fluxo desejada. Em 656, o timer configurado para cronometrar o período de curso completo é restabelecido para medir o próximo curso e, em 658, o sistema pode retornar (por exemplo, para 613) para o próximo curso do pistão 22.

[064] Um método particular em que a saída do sensor de posição de pistão linear 46 é usada simplesmente para confirmar movimento do pistão 22 por todo o seu deslocamento de um limite para o outro está ilustrado em forma de fluxograma nas figuras 4A e 4B. Este método pode ser usado com o aparelho ilustrado na figura 1B em que o sensor linear 46 tem uma saída analógica ou uma digital.

[065] O método pode começar no bloco 700 com o operador introduzindo uma taxa de fluxo de fluido desejada. Esta informação pode ser comunicada para módulo de controle eletrônico (ECM) 14 por meio de um cabo umbilical (a linha de traços e pontos na figura 1B). No bloco 702, o ECM 14 pode então executar uma pesquisa em tabela (com interpolação, se necessário) para determinar a configuração de válvula esperada para produzir a taxa de fluxo desejada. Usando motor de passo 45, o ECM 14 pode então posicionar válvula de medição 16 para a configuração computada.

[066] No losango de decisão 706, o sistema pode detectar se o pistão 22 está no seu limite esquerdo de deslocamento. Neste caso (derivação SIM em 706), a válvula é comutada (em 708) para posição de fluxo paralelo 18 e um timer configurado para medir o tempo exigido para um curso completo do pistão 22 pode ser iniciado (em 713). No losango de decisão 710, o sistema pode detectar se o pistão 22 está no seu limite direito de deslocamento. Neste caso (derivação SIM em 710), a válvula é comutada (em 712) para posição de fluxo cruzado 15 e um timer configurado para medir o tempo exigido para um curso completo do pistão 22 pode ser iniciado (em 714).

[067] No losango de decisão 718, o sistema pode detectar se o pistão 22 está deslocando ao detectar uma mudança na saída do sensor de posição linear 46. Será percebido pelos versados na técnica que isto pode envolver um atraso de tempo (que depende da resolução do sensor de posição linear 46) que deve ser suficiente para detectar movimento do pistão 22 na taxa de fluxo desejada. Se e quando movimento não for detectado (derivação NÃO em 718), o sistema pode detectar se o pistão 22 está em um limite de seu deslocamento (em 720). Se assim, (derivação SIM em 720) o sistema pode prosseguir para executar a rotina de inversão de válvula (em 744) descrita a seguir. Se o pistão 22 não estiver em um limite de deslocamento (derivação NÃO em 720), o sistema pode abrir a válvula 16 (em 724) com um número pré- selecionado de passos (X) em um esforço para obter fluxo de fluido (tal como evidenciado por movimento do pistão 22).

[068] No losango de decisão 726, o sistema de novo detecta se o pistão 22 está deslocando. Se não (derivação NÃO em 726), o sistema pode determinar (em 728) se o pistão 22 está em um limite de seu deslocamento, e se assim (derivação SIM em 728) pode prosseguir para a rotina de inversão de válvula (em 744).

[069] Se o pistão 22 não estiver em um limite de deslocamento (derivação NÃO em 728), o sistema pode abrir a válvula 16 com um número pré-selecionado adicional (Y) de passos (em 732) em um esforço adicional para obter fluxo de fluido.

[070] No losango de decisão 734, o sistema pode determinar se o pistão 22 está em um limite de seu deslocamento, e se assim (derivação SIM em 736) pode prosseguir para a rotina de inversão de válvula (em 744).

[071] Se o pistão 22 não estiver em um limite de deslocamento (derivação NÃO em 736), o sistema pode (em 740) executar um ciclo de limpeza (tal como descrito anteriormente) em um esforço para eliminar uma possível obstrução na válvula. O sistema pode então ser reiniciado (em 742).

[072] A rotina de inversão de válvula 744 está ilustrada como um fluxograma na figura 4B. No bloco 746, a taxa de fluxo de fluido real pode ser computada a partir do volume conhecido do corpo de medição 12 (menos o volume do pistão 22) e do tempo gasto para o pistão 22 ser deslocado de um limite para o outro (tal como medido pelo timer de curso completo). A posição de válvula (por exemplo, número de passos do motor de passo 45 a partir de uma posição de referência) que produziu a taxa de fluxo medida pode então ser armazenada em uma tabela (em 748). Deste modo, a tabela de taxa de fluxo versus posição de válvula pode ser atualizada com cada ciclo do pistão 22. Se a válvula 16 foi aberta com passos adicionais durante o ciclo (por exemplo, em 732 e/ou 724), a configuração de posição de válvula armazenada pode ser uma média ponderada em tempo das posições de válvula usadas durante o curso do pistão 22 ou ajustada de outro modo. Em uma modalidade, a tabela de posições de válvula pode não ser atualizada no caso em que mais de uma posição de válvula foram usadas durante um curso.

[073] Se a taxa de fluxo medida diferir da taxa de fluxo desejada, o sistema pode estimar (em 750) a configuração de válvula exigida para produzir a taxa de fluxo desejada. Deste modo, o sistema se ajusta iterativamente para alcançar a taxa de fluxo desejada.

[074] No bloco 752, a direção de deslocamento do pistão 22 é invertida ao comutar a válvula 16 da posição de fluxo cruzado 15 para a posição de fluxo paralelo 18, ou vice-versa. A válvula 16 pode então ser posicionada (em 754) para fornecer a taxa de fluxo desejada. Em 756, o timer configurado para cronometrar o período de curso completo é restabelecido para medir o próximo curso e, em 758, o sistema pode retornar (por exemplo, para 713) para o próximo curso do pistão 22.

[075] Um método particular em que a taxa de mudança na saída do sensor de posição de pistão linear 46 é usada para computar a taxa de fluxo de fluido real corrente e a configuração de válvula é ajustada para compensar qualquer diferença entre a taxa de fluxo de fluido real corrente e a taxa de fluxo de fluido desejada introduzida pelo operador está ilustrado em forma de fluxograma nas figuras 5A e 5B. Este método pode ser usado com um aparelho tal como ilustrado na figura 1B em que o sensor linear 46 fornece qualquer forma de saída que pode ser correlacionada à taxa de movimento do pistão 22.

[076] O método pode começar no bloco 800 com o operador introduzindo uma taxa de fluxo de fluido desejada. Esta informação pode ser comunicada para o módulo de controle eletrônico (ECM) 14 por meio de um cabo umbilical (linha de traços e pontos na figura 1B). No bloco 802, o ECM 14 pode então executar uma pesquisa em tabela (com interpolação, se necessário) para determinar a configuração de válvula esperada para produzir a taxa de fluxo desejada. Usando o motor de passo 45, o ECM 14 pode então posicionar válvula de medição 16 para a configuração computada.

[077] A distância que o pistão 22 deve ser deslocado por unidade de tempo para produzir a taxa de fluxo desejada pode ser computada (no bloco 803). Isto dependerá das dimensões do corpo de medição 12.

[078] No losango de decisão 806, o sistema pode detectar se o pistão 22 está no seu limite esquerdo de deslocamento. Neste caso (derivação SIM em 806), a válvula é comutada (em 808) para a posição de fluxo paralelo 18 e um timer é configurado para medir o tempo exigido para um curso completo do pistão 22 poder ser iniciado (em 813). No losango de decisão 810, o sistema pode detectar se o pistão 22 está no seu limite direito de deslocamento. Neste caso (derivação SIM em 810), a válvula é comutada (em 812) para a posição de fluxo cruzado 15 e um timer é configurado para medir o tempo exigido para um curso completo do pistão 22 poder ser iniciado (em 813).

[079] No losango de decisão 815, o sistema pode detectar se a taxa medida de deslocamento do pistão 22 é maior que aquela calculada no bloco 803, e se assim a válvula pode ser fechada (em 817) com o número de passos correspondendo à diferença entre a taxa de fluxo observada e a taxa de fluxo desejada na curva de fluxo do sistema (por exemplo, a figura 2). Este processo continua em um laço até que a posição da válvula 16 produza a taxa de movimento calculada do pistão 22 (e consequentemente a taxa de fluxo de fluido desejada). A determinação no losango de decisão 815 pode incluir um atraso de tempo a fim de permitir que o pistão 22 seja deslocado em uma distância mensurável.

[080] No losango de decisão 820, o sistema pode determinar se o pistão 22 alcançou um limite de seu deslocamento. Neste caso (derivação SIM em 820), o sistema pode prosseguir para executar a rotina de inversão de válvula (em 844) descrita a seguir.

[081] Se o pistão 22 não estiver em um limite (derivação NÃO em 820), o sistema pode detectar (em 823) se a taxa medida de deslocamento do pistão 22 é menor que aquela calculada no bloco 803, e se assim a válvula pode ser aberta (em 824) com o número de passos correspondendo à diferença entre a taxa de fluxo observada e a taxa de fluxo desejada na curva de fluxo do sistema (por exemplo, a figura 2). No losango de decisão 833, o sistema pode detectar se a válvula 16 foi acionada para sua posição totalmente aberta sem produzir a taxa de fluxo desejada. Se for assim (derivação SIM em 833), o sistema pode prosseguir para executar um ciclo de limpeza (em 840) em um esforço para eliminar qualquer obstrução que possa ter ocorrido na válvula 16. Este processo continua em um laço até que a posição da válvula 16 produza a taxa de movimento calculada do pistão 22 (e consequentemente a taxa de fluxo de fluido desejada). Será percebido pelos versados na técnica que a determinação no losango de decisão 823 pode incluir um atraso de tempo a fim de permitir que o pistão 22 seja deslocado em uma distância mensurável.

[082] A rotina de inversão de válvula 844 está ilustrada como um fluxograma na figura 5B. No bloco 846, a taxa de fluxo de fluido real pode ser computada a partir do volume conhecido do corpo de medição 12 (menos o volume do pistão 22) e do tempo gasto para o pistão 22 ser deslocado de um limite para o outro (tal como medido pelo timer de curso completo). A posição de válvula (por exemplo, número de passos do motor de passo 45 a partir de uma posição de referência) que produziu a taxa de fluxo medida pode então ser armazenada em uma tabela (em 848). Deste modo, a tabela de taxa de fluxo versus posição de válvula pode ser atualizada com cada ciclo do pistão 22. Se a válvula 16 foi aberta ou fechada com passos adicionais durante o ciclo (por exemplo, em 817 e/ou 824), a configuração de posição de válvula armazenada pode ser uma média ponderada em tempo das posições de válvula usadas durante o curso do pistão 22 ou ajustada de outro modo. Em uma modalidade, a tabela de posições de válvula pode não ser atualizada no caso em que mais de uma posição de válvula foram usadas durante um curso.

[083] No bloco 851 o sistema pode comparar a medição mais recente da taxa de movimento do pistão 22. Se a taxa medida diferir daquela exigida para produzir a taxa de fluxo desejada, o sistema pode estimar (em 853) a configuração de válvula exigida para produzir a taxa de fluxo desejada. Deste modo, o sistema se ajusta iterativamente para alcançar a taxa de fluxo desejada.

[084] No bloco 852, a direção de deslocamento do pistão 22 é invertida ao comutar a válvula 16 da posição de fluxo cruzado 15 para a posição de fluxo paralelo 18, ou vice-versa. A válvula 16 pode então ser posicionada (em 854) para fornecer a taxa de fluxo desejada. Em 856, o timer configurado para cronometrar o período de curso completo é restabelecido para medir o próximo curso e, em 858, o sistema pode retornar (por exemplo, para 815) para o próximo curso do pistão 22.

[085] Embora modalidades particulares da presente invenção tenham sido mostradas e descritas elas não são pretendidas para limitar o que esta patente cobre. Os versados na técnica entenderão que várias mudanças e modificações podem ser feitas sem divergir do escopo da presente invenção como cobertas literalmente e de modo equivalente pelas reivindicações a seguir.

Claims (22)

1. Aparelho para injetar um produto químico de fase líquida em um poço, o aparelho CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: um cilindro (12) tendo uma primeira extremidade, uma segunda extremidade, e uma primeira extremidade, uma segunda extremidade e um lado longitudinal que se estende entre as primeira e segunda extremidades; um pistão livre (22) disposto de forma móvel ao longo de uma pluralidade de posições longitudinais no cilindro (12) entre a primeira e a segunda extremidade e dividindo o cilindro (12) em uma primeira câmara de volume variável (24) e uma segunda câmara de volume variável (26); um primeiro sensor (46) compreendendo um conjunto de sensores de efeito Hall, o conjunto de sensores de efeito Hall dispostos adjacentemente ao lado longitudinal do cilindro (12) e sendo magneticamente responsivo a cada uma das posições do pistão livre (22) dentro do cilindro (12) entre as primeira e a segunda extremidades; uma primeira porta (27) definida na primeira extremidade e disposta em comunicação fluida com a primeira câmara de volume variável (24); uma segunda porta (29) definida na segunda extremidade e disposta em comunicação fluida com a segunda câmara de volume variável (26); uma linha de entrada de produto químico (33) para fornecer os químicos de fase líquida para o cilindro (12); uma linha de saída de produto químico (31) para fornecer os químicos de fase líquida do cilindro (12) para o poço; uma válvula (16) tendo pelo menos um orifício variável e disposta em comunicação fluida com a linha de entrada de produto químico (33), a linha de saída de produto químico (31), a primeira porta (27) e a segunda porta (29); um sistema de controle (14) em comunicação com o primeiro sensor (46) e a válvula (16), o sistema de controle tendo um timer configurado para cronometrar o período exigido para o pistão livre (22) ser deslocado em uma certa distância longitudinal dentro do cilindro (12); e o sistema de controle sendo configurado para computar a taxa de fluxo de fluido média durante o período cronometrado, comparar a taxa de fluxo de fluido média computada a uma taxa de fluxo desejada e ajustar um tamanho do pelo menos um orifício variável para minimizar a diferença entre a taxa de fluxo computada e a taxa de fluxo desejada.

2. Aparelho para injetar um produto químico de fase líquida em um poço, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende adicionalmente: um primeiro sensor de pressão de fluido (49’) na linha de entrada de produto químico (33); e um segundo sensor de pressão de fluido (49) na linha de saída de produto químico (31).

3. Aparelho para injetar um produto químico de fase líquida em um poço, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende adicionalmente: pelo menos um sensor de extremidade (38, 40) responsivo ao pistão livre (22) estando em pelo menos uma dentre as primeira e a segunda extremidades do cilindro (12).

4. Aparelho para injetar um produto químico de fase líquida em um poço, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o conjunto de sensores de efeito Hall (46) compreende disparadores que disparam passos entre os sensores adjacentes dentre os sensores de efeito Hall (46), em resposta ao movimento do pistão livre (22) ao longo das posições longitudinais dentro do cilindro (12).

5. Aparelho para injetar um produto químico de fase líquida em um poço, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato de que o sistema de controle (14) está configurado para: detectar os passos disparados entre os sensores adjacentes dentre os sensores de efeito Hall (46), em resposta ao movimento do pistão livre (22); e determinar a distância longitudinal determinada para o percurso do pistão livre (22) com base nos passos detectados; e determinar, a partir do cronômetro, o período de tempo necessário para o pistão livre (22) percorrer a distância longitudinal determinada.

6. Aparelho para injetar um produto químico de fase líquida em um poço, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato de que o sistema de controle (14) está configurado para: detectar uma ausência nos passos entre os sensores adjacentes dentre os sensores de efeito Hall (46); e determinar uma falha no movimento do pistão livre (22) em resposta à ausência detectada.

7. Aparelho para injetar um produto químico de fase líquida em um poço, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato de que para disparar os passos, os disparadores dos sensores adjacentes dentre os sensores de efeito Hall (46) são configurados para: comutar de um estado LIGADO para um estado DESLIGADO para um sensor líder dentre os sensores de efeito Hall (46) adjacentes no conjunto, em resposta ao movimento do pistão livre (22) para longe do sensor principal de efeito Hall (46); e comutar de um estado DESLIGADO para um estado LIGADO para um sensor seguinte dentre os sensores de efeito Hall (46) adjacentes, em resposta ao movimento do pistão livre (22) em direção ao sensor de efeito Hall (46) seguinte.

8. Sistema de injeção de fluido para controlar a distribuição de fluido de uma linha de fornecimento (33) para um poço selecionado em uma taxa ajustável, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: um corpo de medição (12) tendo um furo para conter fluido, o furo tendo uma primeira extremidade, uma segunda extremidade e um lado longitudinal que se estende entre as primeira e segunda extremidades; uma barreira para fluidos (22) segregando o furo em primeira e segunda câmaras de volumes variáveis (24, 26), a barreira para fluido (22) movível livremente em uma pluralidade de posições longitudinais no furo entre a primeira e a segunda extremidade em resposta a uma diferença de pressão entre as primeira e segunda câmaras (24, 26); uma primeira porta (27) de entrada-saída disposta na primeira extremidade para passar fluido para dentro e para fora da primeira câmara (24), uma segunda porta (29) de entrada-saída disposta na segunda extremidade para passar fluido para dentro e para fora da segunda câmara (26); uma válvula (16) de múltiplas posições compreendendo uma primeira posição de válvula e uma segunda posição de válvula, a primeira posição de válvula configurada para passar fluido da linha de fornecimento (33) para dentro da primeira câmara (24), movendo desse modo a barreira para fluidos (22) para deslocar fluido da segunda câmara (26) de volta através da válvula (14) para um ponto de injeção, a segunda posição de válvula configurada para passar fluido da linha de fornecimento (33) para a segunda câmara (26), movendo desse modo a barreira para fluidos (22) para deslocar fluido da primeira câmara (24) de volta através da válvula (14) para o ponto de injeção, a válvula (16) compreendendo adicionalmente uma abertura de válvula variável configurada para controlar fluxo entre a linha de fornecimento (33) e o corpo de medição (12); um sensor de posição linear (46) compreendendo um conjunto de sensores de efeito Hall, o conjunto de sensores de efeito Hall (46) disposto adjacente ao lado longitudinal do furo e sendo configurado para detectar magneticamente cada uma das posições longitudinais da barreira para fluido (22) dentro do corpo de medição (12) entre as primeira e segunda extremidades; e um sistema de controle (14) em comunicação com a válvula (16) de múltiplas posições e o sensor de posição linear (46), o sistema de controle (14) incluindo um cronômetro configurado para cronometrar movimento da barreira para fluidos (22) entre posições longitudinais conhecidas dentre as posições longitudinais, o sistema de controle (14) configurado para ajustar seletivamente a abertura de válvula variável em resposta ao movimento cronometrado da barreira para fluido (22) entre as posições longitudinais conhecidas e para inverter seletivamente entre as posições das primeira e segunda válvulas da válvula de múltiplas posições em resposta a certas posições longitudinais dentre as posições longitudinais da barreira para fluido (22).

9. Sistema de injeção de fluido, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende adicionalmente: um primeiro sensor de pressão de fluido (49’) na linha de fornecimento (33); e um segundo sensor de pressão de fluido (49) em uma linha (31) para o ponto de injeção.

10. Sistema de injeção de fluido, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende adicionalmente: pelo menos um sensor de extremidade (38, 40) responsivo à barreira para fluidos (22) estando empelo menos uma dentre as primeira e segunda extremidades do corpo de medição (12).

11. Sistema de injeção de fluido, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADO pelo fato de que o conjunto de sensores de efeito Hall (46) compreende disparadores que disparam passos entre os sensores adjacentes dentre os sensores de efeito Hall (46), em resposta ao movimento da barreira para fluidos (22) ao longo das posições longitudinais dentro do corpo de medição (12).

12. Sistema de injeção de fluido, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADO pelo fato de que o sistema de controle (14) está configurado para: detectar os passos disparados entre os sensores adjacentes dentre os sensores de efeito Hall (46), em resposta ao movimento da barreira para fluidos (22); determinar as posições longitudinais conhecidas da barreira para fluidos (22) com base nos passos detectados; e determinar, a partir do cronômetro, o movimento cronometrado da barreira de fluido (22) entre as posições longitudinais conhecidas.

13. Sistema de injeção de fluido, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADO pelo fato de que o sistema de controle (14) é configurado para: detectar uma ausência nos passos entre os sensores adjacentes dentre os sensores de efeito Hall (46); e determinar uma falha no movimento da barreira para fluidos (22) em resposta à ausência detectada.

14. Sistema de injeção de fluido, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADO pelo fato de que para disparar os passos, os disparadores dos sensores adjacentes dentre os sensores de efeito Hall (46) são configurados para: comutar de um estado LIGADO para um estado DESLIGADO para um sensor líder dentre os sensores de efeito Hall (46) adjacentes no conjunto, em resposta ao movimento da barreira para fluidos (22) para longe do sensor principal de efeito Hall (46); e comutar de um estado DESLIGADO para um estado LIGADO para um sensor seguinte dentre os sensores de efeito Hall (46) adjacentes, em resposta ao movimento da barreira para fluidos (22) em direção ao sensor de efeito Hall (46) seguinte.

15. Método para injetar um fluido em um poço, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: operar um sistema de injeção de fluido conforme definido em qualquer uma das reivindicações 8 a 14; introduzir uma taxa de fluxo de fluido desejada; calcular um tempo esperado para uma mudança em uma saída do sensor de posição linear (46) na taxa de fluxo de fluido desejada; continuar operação do sistema de injeção de fluido em uma posição aberta existente da abertura de válvula variável em resposta à mudança na saída do sensor de posição linear (46) sendo detectada em um primeiro tempo dentro de um limite de tempo predefinido do tempo esperado; continuar operação do sistema de injeção de fluido em uma posição aberta menor da abertura de válvula variável em resposta à mudança na saída do sensor de posição linear (46) sendo detectada em um segundo tempo fora de um limite de tempo predefinido e menor que o tempo esperado; e continuar operação do sistema de injeção de fluido em uma posição aberta maior da abertura de válvula variável em reposta à mudança na saída do sensor de posição linear (46) sendo detectada em um terceiro tempo fora de um limite de tempo predefinido e maior que o tempo esperado.

16. Método, de acordo com a reivindicação 15, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende adicionalmente: abrir a abertura de válvula variável para uma posição totalmente aberta em resposta à ausência de mudança na saída do sensor de posição linear (46) sendo detectada dentro de um quarto intervalo de tempo que é maior que o tempo calculado por uma quantidade pré-selecionada.

17. Método para injetar um fluido em um poço, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: operar um sistema de injeção de fluido conforme definido na reivindicação 8; monitorar saída do sensor de posição linear (46); continuar operação do sistema de injeção de fluido em uma posição de abertura existente da abertura de válvula variável em resposta a uma mudança na saída do sensor de posição linear (46) sendo detectada dentro de um primeiro intervalo de tempo pré-selecionado; e aumentar a abertura de válvula variável por uma quantidade pré-selecionada em resposta a uma primeira ausência de mudança na saída do sensor de posição linear (46) sendo detectada dentro do primeiro intervalo de tempo pré-selecionado.

18. Método, de acordo com a reivindicação 17, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende adicionalmente: abrir a abertura de válvula variável para uma posição totalmente aberta em reposta a uma segunda ausência na mudança na saída do sensor de posição linear (46) sendo detectada dentro de um segundo intervalo de tempo que é maior que o primeiro intervalo de tempo pré-selecionado.

19. Método para injetar um fluido em um poço, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: operar um sistema de injeção de fluido conforme definido na reivindicação 8; introduzir uma taxa de fluxo de fluido desejada; medir um tempo exigido para a barreira para fluidos (22) se mover de uma primeira posição longitudinal dentre as posições longitudinais para uma segunda posição longitudinal dentre as posições longitudinais em que pelo menos uma dentre a primeira posição longitudinal e a segunda posição longitudinal está deslocada de um limite de deslocamento da barreira para fluidos (22); calcular uma taxa de fluxo de fluido real a partir do tempo medido exigido para a barreira para fluidos (22) ser mova da primeira posição longitudinal para a segunda posição longitudinal; continuar operação do sistema de injeção de fluido em uma posição aberta existente da abertura de válvula variável em reposta à taxa de fluxo de fluido real sendo igual à taxa de fluxo de fluido desejada; continuar operação do sistema de injeção de fluido em uma posição aberta menor da abertura de válvula variável em reposta à taxa de fluxo de fluido real sendo maior que a taxa de fluxo de fluido desejada; e continuar operação do sistema de injeção de fluido em uma posição aberta maior da abertura de válvula variável em resposta à taxa de fluxo de fluido real sendo menor que a taxa de fluxo de fluido desejada.

20. Método, de acordo com a reivindicação 19, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende adicionalmente: abrir a abertura de válvula variável para uma posição totalmente aberta em reposta à taxa de fluxo de fluido real sendo menor que a taxa de fluxo de fluido desejada por uma quantidade pré-selecionada.

21. Método para injetar um fluido em um poço, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: operar um sistema de injeção de fluido conforme definido na reivindicação 10; introduzir uma taxa de fluxo de fluido desejada; calcular um tempo esperado para uma mudança em uma saída do sensor de posição linear (46) na taxa de fluxo de fluido desejada; continuar operação do sistema de injeção de fluido em uma posição aberta existente da abertura de válvula variável em resposta à mudança na saída do sensor de posição linear (46) sendo detectada aproximadamente no tempo calculado; continuar operação do sistema de injeção de fluido em uma posição aberta menor da abertura de válvula variável em reposta à mudança na saída do sensor de posição linear (46) sendo detectada em menos que o tempo calculado; continuar operação do sistema de injeção de fluido em uma posição aberta maior da abertura de válvula variável em reposta à mudança na saída do sensor de posição linear (46) sendo detectada em mais que o tempo calculado; e comutar a válvula de múltiplas posições (16) da primeira posição de válvula para passar fluido da linha de fornecimento (33) para dentro da primeira câmara (24) para a segunda posição de válvula para passar fluido da linha de fornecimento (33) para a segunda câmara (26) mediante acionamento do pelo menos um sensor de extremidade (38, 40) responsivo à barreira para fluidos (22) estar em pelo menos uma dentre as primeira e segunda extremidades do corpo de medição (12).

22. Método, de acordo com a reivindicação 21, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende adicionalmente: cronometrar o intervalo a partir do acionamento de um primeiro sensor dentre o pelo menos um sensor de extremidade (38, 40) responsivo à barreira para fluidos (22) estar na primeira extremidade do corpo de medição para o acionamento de um segundo sensor dentre o pelo menos um sensor de extremidade responsivo à barreira para fluidos (22) estar na segunda extremidade do corpo de medição (12); calcular uma taxa de fluxo de fluido real a partir do intervalo cronometrado; ajustar um tamanho da abertura de válvula variável para minimizar qualquer diferença entre a taxa de fluxo de fluido real calculada e a taxa de fluxo de fluido desejada.

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