BR112012033287B1

BR112012033287B1 - sistema, conjunto de transdutor, e, método

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Publication number: BR112012033287B1
Application number: BR112012033287-2A
Authority: BR
Inventors: Henry C. Straub, Jr.; Randeep GREWAL
Original assignee: Daniel Measurement And Control, Inc.
Priority date: 2010-06-29
Filing date: 2011-06-06
Publication date: 2020-10-27
Also published as: US20110314932A1; EP2588839B1; CA2899764C; CA2802406A1; CN102368041B; BR112012033287A2; MX2013000216A; EP2588839A2; WO2012005848A2; BR112012033287B8; CN202453014U; EP2588839A4; WO2012005848A3; RU2012153704A; CA2899764A1; CN102368041A; US8166829B2; RU2532611C2; CA2802406C

Abstract

SISTEMA, CONJUNTO DE TRANSDUTOR, E, MÉTODO. Conjunto de transdutor de medidor de fluxo ultrassónico. Pelo menos alguns da modalidade ilustrativa são sistemas incluindo: um peça de carretel que define uma superfície exterior, uma passagem central, e um orifício de transdutor se estendendo da superfície exterior para a passagem central; e um conjunto de transdutor acoplado ao orifício de transdutor. O conjunto de transdutor inclui: um elemento de transmissão acoplado à peça de carretel, o elemento de transição tendo uma primeira extremidade disposta dentro do orifício de transdutor, e uma segunda extremidade residindo fora da superfície exterior; um módulo piezoelétrico com um elemento piezoelétrico, o módulo piezoelétrico diretamente acoplado à primeira extremidade do elemento de transição e o módulo piezoelétrico disposto dentro da superfície exterior; um módulo de transformador com um transformador disposto no mesmo, o módulo de transformador diretamente acoplado à segunda extremidade do elemento de transição e o módulo de transformador disposto fora da superfície exterior, e um condutor elétrico disposto dentro de uma passagem através do elemento de transição, o condutor elétrico acopla o transformador ao elemento piezoelétrico.

Description

FUNDAMENTO

[001] Depois de os hidrocarbonetos terem sido removidos do solo, a corrente de fluido (por exemplo, óleo cru, gás natural) é transportada de um lugar para outro através de tubulações de grande diâmetro. É desejável conhecer com precisão a quantidade de fluxo circulando em uma tubulação de grande diâmetro, e é exigida uma precisão particular quando o fluido está mudando de mãos, ou em "transferência de responsabilidade." Os medidores de fluxo ultrassónicos podem ser usados para medir a quantidade de fluido circulando em uma tubulação de grande diâmetro, e os medidores de fluxo ultrassónicos possuem precisão suficiente para serem usados em transferência de responsabilidade. O valor do gás "mudando de mãos" no ponto de transferência de responsabilidade em uma tubulação de grande diâmetro de gás natural de alto volume pode equivaler a um milhão de dólares ou mais em um único dia. Por esta razão, fabricantes tentam conceber medidores ultrassónicos que sejam não apenas muito precisos, mas também confiáveis, levando em consideração que o tempo médio entre avarias é grande.

[002] Portanto, qualquer avanço que aumente a confiabilidade de medidores ultrassónicos, e/ou que diminua o tempo para solucionar problemas e o tempo de reparo após um medidor ultrassónico ter avariado, iria prover uma vantagem competitiva no mercado.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[003] Para uma descrição detalhada de modalidades de exemplo, referência será feita agora aos desenhos anexos, em que:

[004] A fig- 1 mostra um medidor ultrassónico de acordo com pelo menos algumas modalidades.

[005] A fig- 2 mostra uma vista de cima em seção transversal de um medidor de fluxo ultrassónico de acordo com pelo menos algumas modalidades, com a fig- 2 tomada substancialmente ao longo de 2-2 da fig- 1-

[006] A fíg- mostra uma vista de elevação de extremidade de acordo com pelo menos algumas modalidades.

[007] A fíg- 4 mostra uma vista de cima parcial de acordo com pelo menos algumas modalidades.

[008] A fíg- 5 mostra uma vista em perspectiva de um peça de carretel de acordo com pelo menos algumas modalidades.

[009] A fíg- 6 mostra uma vista de elevação em seção transversal de um conjunto de transdutor de acordo com pelo menos algumas modalidades.

[0010] A fíg- mostra uma vista de elevação em seção transversal de um módulo piezoelétrico de acordo com pelo menos algumas modalidades.

[0011] um membro modalidades.

[0012] A fíg- 9 mostra uma vista de elevação em seção transversal explodida de um membro de retenção de transdutor e módulo de transdutor de acordo com pelo menos algumas modalidades.

[0013] A fíg- 10 mostra uma vista explodida de um conjunto de transdutor, juntamente com um cabeamento, de acordo com pelo menos algumas modalidades.

[0014] A fig. 11 mostra uma vista de cima em seção transversal de um conjunto de transdutor em um orifício de transdutor de acordo com pelo menos algumas modalidades.

[0015] A fíg. 12 mostra um método de acordo com pelo menos algumas modalidades.

NOTAÇÃO E NOMENCLATURA

[0016] Certos termos são usados por toda a descrição e reivindicações a seguir para se referirem a componentes de sistema particulares. Como uma pessoa versada na técnica apreciará, companhias produtoras de medidor ultrassónico podem se referir a um componente por diferentes nomes. Este documento não pretende fazer distinção entre componentes que diferem de nome, mas não de função.

[0017] Na abordagem a seguir e nas reivindicações, os termos "incluindo“ e "compreendendo" são usados de uma maneira aberta, e assim, devem ser interpretados como significando "incluindo, mas não limitado a... Igualmente, o termo "acoplam" ou "acopla" pretende significar ou uma conexão indireta ou direta. Portanto, se um primeiro dispositivo se acopla a um segundo dispositivo, essa conexão pode ser através de uma conexão direta ou através de uma conexão indireta por meio de outros dispositivos e conexões.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0018] A abordagem a seguir é dirigida a várias modalidades da invenção. Embora uma ou mais destas modalidades possam ser preferidas, as modalidades divulgadas não devem ser interpretadas, ou do contrário usadas, como limitantes do escopo da divulgação, incluindo as reivindicações. Além disso, uma pessoa versada na técnica irá compreender que a descrição a seguir tem aplicação ampla, e a abordagem de qualquer modalidade se destina a ser apenas exemplo dessa modalidade, e não pretende intuir que o escopo da divulgação, incluindo as reivindicações, está limitado a essa modalidade.

[0019] A fig. 1 mostra um medidor ultrassónico 100 de acordo com pelo menos algumas modalidades. Em particular, o medidor ultrassónico compreende um corpo de medidor ou peça de carretel 102 que define uma passagem central 104. A peça de carretel 102 é projetada e construída para ser acoplado a uma tubulação de grande diâmetro que transporta fluidos, de tal modo que os fluidos circulando na tubulação de grande diâmetro igualmente viajam através da passagem central 104. Enquanto os fluidos viajam através da passagem central 104, o medidor ultrassónico 100 mede a vazão (daí, o fluido pode ser referido como o fluido medido). A peça de carretel ilustrativo 102 na fig. 1 é configurada para se acoplar à tubulação de grande diâmetro (não mostrada) por meio de flanges 106; porém, qualquer sistema adequado para acoplar a peça de carretel 102 à tubulação de grande diâmetro pode ser usado de modo equivalente (por exemplo, conexões de solda).

[0020] A fim de medir fluxo de fluido dentro do medidor, o medidor ultrassónico 100 usa uma pluralidade de conjuntos de transdutor. Na vista da fig. 1 cinco destes conjuntos de transdutor 108, 110, 112, 116 e 120 estão em vista total ou parcial. Os conjuntos de transdutor são emparelhados (por exemplo, conjuntos de transdutor 108 e 110), como será discutido mais abaixo. Além disso, cada conjunto de transdutor se acopla eletricamente a equipamento eletrônico de controle, ilustrativamente alojado em um invólucro 124. Mais particularmente, cada conjunto de transdutores se acopla eletricamente ao equipamento eletrônico de controle no invólucro 124 por meio de um cabo respectivo 126.

[0021] A fig. 2 mostra uma vista de cima em seção transversal do medidor de fluxo ultrassónico 100 tomada substancialmente ao longo da linha 2-2 da fig. 1. A peça de carretel 102 tem um tamanho predeterminado e define a passagem central 104 através da qual o fluido medido circula. Um par ilustrativo de conjuntos de transdutores 112 e 114 está localizado ao longo do comprimento da peça de carretel 102. Os transdutores 112 e 114 são transceptores acústicos, e mais particularmente, transceptores ultrassónicos, significando que ambos geram e recebem sinais acústicos com frequências acima de cerca de 20 quilohertz. Os sinais acústicos podem ser gerados e recebidos por um elemento piezoelétrico em cada transdutor. Para gerar um sinal ultrassónico, o elemento piezoelétrico é estimulado eletricamente por meio de um sinal sinusoidal, e ele responde vibrando. A vibração do elemento piezoelétrico gera o sinal acústico que viaja através do fluido medido para o conjunto de transdutor correspondente do par. Similarmente, ao ser atingido por um sinal acústico, o elemento piezoelétrico receptor vibra e gera um sinal elétrico sinusoidal que é detectado, digitalizado e analisado por equipamento eletrônico associado ao medidor.

[0022] Um trajeto 200, por vezes referido como a "corda," existe entre conjuntos de transdutor ilustrativos 112ell4no ângulo 0 em relação à uma linha de centro 202. O comprimento de corda 200 é a distância entre a face do conjunto de transdutor 112 e a face do conjunto de transdutor 114. Os pontos 204 e 206 definem as localizações onde os sinais acústicos gerados pelos conjuntos de transdutor 112 e 114 entram e saem do fluxo que circula através da peça de carretel 102 (ou seja, a entrada para o furo de peça de carretel). A posição dos conjuntos de transdutor 112 e 114 pode ser definida pelo ângulo 0, por um primeiro comprimento L medido entre as faces dos conjuntos de transdutor 112 e 114, um segundo comprimento X correspondente à distância axial entre os pontos 204 e 206, e um terceiro comprimento "d" correspondente ao diâmetro interno de um tubo. Em muitos casos, as distâncias d, X e L são precisamente determinadas durante a fabricação do medidor. Um fluido medido, tal como gás natural, circula em uma direção 208 com um perfil de velocidade 210. Os vetores de velocidade 212, 214, 216 e 218 ilustram que a velocidade de gás através peça de carretel 102 aumenta em direção à linha de centro 202 da peça de carretel 102.

[0023] Inicialmente, o conjunto de transdutor a jusante 112 gera um sinal ultrassónico que é incidente sobre, e assim detectado pelo conjunto de transdutor a montante 114. Algum tempo depois, o conjunto de transdutor a montante 114 gera um sinal ultrassónico de retorno que é subsequentemente incidente sobre, e detectado pelo conjunto de transdutor a jusante 112. Portanto, os conjuntos de transdutor operam "gerando e recebendo" os sinais ultrassónicos 220 ao longo do trajeto cordal 200. Durante operação, esta sequência pode ocorrer milhares de vezes por minuto.

[0024] O tempo de trânsito de um sinal ultrassónico 220 entre os conjuntos de transdutor ilustrativos 112 e 114 depende em parte de se o sinal ultrassónico 220 está viajando a montante ou a jusante com relação ao fluxo de fluido. O tempo de trânsito para um sina] ultrassónico viajando a jusante (ou seja, na mesma direção do fluxo de fluido) é menor que seu tempo de trânsito ao viajar a montante (ou seja, contra o fluxo de fluido). Os tempos de trânsito a montante e a jusante podem ser usados para calcular a velocidade média ao longo do trajeto de sinal, e a velocidade de som no fluido medido. Dadas as medições em seção transversal do medidor transportando o fluido, a velocidade média sobre a área da passagem central pode ser usada para encontrar o volume de fluxo circulando através da peça de carretel 102.

[0025] Os medidores de fluxos ultrassónicos podem ter uma ou mais cordas. A fig. 3 ilustra uma vista de elevação de extremidade do medidor de fluxo ultrassónico 100. Em particular, o medidor de fluxo ultrassónico ilustrativo 100 compreende quatro trajetos cordais A, B, C e D a níveis variáveis dentro da peça de carretel 102. Cada trajeto cordal A-D corresponde a um par de transdutor comportando alternadamente como um transmissor e receptor. Os conjuntos de transdutor 108 e 110 (apenas parcialmente visíveis) compõem o trajeto cordal A. Os conjuntos de transdutor 112 e 114 (apenas parcialmente visíveis) compõem o trajeto cordal B. Os conjuntos de transdutor 116 e 118 (apenas parcialmente visíveis) compõem o trajeto cordal C. Finalmente, os conjuntos de transdutor 120 e 122 (apenas parcialmente visíveis) compõem o trajeto cordal D.

[0026] Um outro aspecto do arranjo dos quatro pares de transdutores é mostrado com relação à fig. 4, que mostra uma vista de cima. Cada par de transdutor corresponde a um único trajeto cordal da fig. 3; porém, os conjuntos de transdutor são montados em um ângulo não perpendicular à linha de centro 202. Por exemplo, um primeiro par de conjuntos de transdutor 108 e 110 é montado em um ângulo não perpendicular 0 à linha de centro 202 da peça de carretel 102. Outro par dos conjuntos de transdutor 112 e 114 é montado de modo que o trajeto cordal forma livremente o formato de um "X" com relação ao trajeto cordal dos conjuntos de transdutor 108 e 110. Similarmente, os conjuntos de transdutor 116 e 118 são colocados paralelos aos conjuntos de transdutor 108 e 110, mas a um "nível" ou elevação diferente. Não explicitamente mostrado na fig. 4 se encontra o quarto par de conjuntos de transdutor (ou seja, conjuntos de transdutor 120 e 122). Considerando as figs. 2, 3 e 4, os pares de transdutor são dispostos de tal modo que os dois pares superiores de transdutores correspondendo a cordas A e B formam o formato de um "X", e os dois pares inferiores de transdutores correspondendo a cordas C e D também formam o formato de um "X". A velocidade de fluxo do fluido pode ser determinada em cada corda A-D para obter velocidades de fluxo cordal, e as velocidades de fluxo cordal são combinadas para determinar uma velocidade de fluxo média ao longo de toda a tubulação. A partir da velocidade de fluxo média, a quantidade de fluxo circulando na peça de carretel, e, por conseguinte, na tubulação de grande diâmetro, pode ser determinada.

[0027] A fig. 5 mostra uma vista em perspectiva da peça de carretel 102 com os conjuntos de transdutor removidos. Em particular, a peça de carretel 102 define uma pluralidade de orifícios de transdutor. Na vista da fig. 5, apenas cinco destes orifícios de transdutor 500, 502, 504, 508 e 512 estão em vista total ou parcial. Similarmente aos conjuntos de transdutor, os orifícios de transdutor são emparelhadas. Por exemplo, o orifício de transdutor 500 é emparelhada com o orifício de transdutor 502, e assim por diante. Se referindo ao orifício de transdutor 504 conforme ilustrativa de todas os orifícios de transdutor, o orifício de transdutor 504 compreende superfície de flange 520. Um plano definido pela superfície de flange ilustrativa de flange 520 é normal em relação à corda definida pelo par de transdutor que usa o orifício de transdutor 504. Como mostrado, a superfície de flange 520 compreende uma pluralidade de aberturas rosqueadas 522, a qual um conjunto de transdutor se acopla mecanicamente.

[0028] Ainda se referindo ao orifício de transdutor 504 como ilustrativa de todas os orifícios de transdutor, o orifício de transdutor 504 compreende ainda abertura 524 que se acopla fluidamente à passagem central 104 da peça de carretel 102. Conforme ilustrado, a abertura compreende uma porção de diâmetro maior 526 e uma porção de diâmetro menor 528, formando assim um ombro 530. Em outras modalidades, a abertura 524 pode ter um único diâmetro interno, ou três ou mais diferentes diâmetros internos entre a superfície de flange 520 e a passagem central 104. Para os fins deste relatório e reivindicações, e com relação a um orifício de transdutor particular, um objeto (ou porção de um objeto) que reside fisicamente dentro uma abertura entre o plano formato pela superfície de flange e a passagem central será referida como residindo dentro do orifício de transdutor. Da mesma forma, e com relação a um orifício de transdutor particular, um objeto (ou porção de um objeto) que reside fisicamente externamente a um volume dentro da abertura entre o plano formado pela superfície de flange e a passagem central (e também residindo fora da passagem central) será referido como residindo fora do orifício de transdutor ou fora da superfície exterior da peça de carretel 102. O relatório passa agora para os inconvenientes dos conjuntos de transdutor da técnica relacionada.

[0029] Os componentes de um medidor de fluxo ultrassónico que são particularmente vulneráveis a falha são os conjuntos de transdutor, e mais particularmente transformadores de adaptação dentro dos conjuntos de transdutor. Os transformadores de adaptação realizam adaptação de impedância elétrica entre o equipamento eletrônico de controle e os elementos piezoelétricos que produzem e detectam energia acústica. Devido ao fato de os elementos piezoelétricos serem suscetíveis a carregamento capacitivo causado pelo comprimento de cabeamento entre o transformador de adaptação de impedância e o elemento piezoelétrico, os transformadores de adaptação de impedância da técnica relacionada são colocados adjacentes aos elementos piezoelétricos e dentro de um orifício de transdutor. Embora os transformadores de adaptação de impedância possam ser protegidos de alguma forma (por exemplo, por um encapsulante), ter os transformadores de adaptação de impedância dentro do orifício de transdutor expõe os transformadores de adaptação de impedância a muitas condições indesejáveis. Por exemplo, estando dentro do orifício de transdutor os transformadores de adaptação de impedância podem experimentar temperaturas muito altas e/ou muito baixas (além oscilações de temperatura ambiente). As variações de temperatura provocam expansão e contração térmicas, o que cria tensões mecânicas sobre o transformador (ambas internamente, bem como tensões provocadas por expansão e contração do encapsulante circundante). Além disso, a pressão dentro de um medidor pode alcançar várias centenas de livras por polegada quadrada (PSI) ou mais, e/ou a pressão dentro do medidor pode experimentar grandes oscilações de pressão (por exemplo, de condições de uso a de não uso). Aqui, novamente, as mudanças de pressão provocam expansão e contração que tensiona mecanicamente os transformadores de adaptação de impedância, bem como o encapsulante circundante. Além disso, o próprio fluido medido pode ser corrosivo, tanto aos materiais que compõem o transformador, bem como ao próprio encapsulante. Além do mais, colocar transformadores de adaptação de impedância adjacentes aos elementos piezoelétricos dita um tamanho físico pequeno dos transformadores de adaptação de impedância. Por exemplo, se o transformador de adaptação de impedância está dentro de um orifício de transdutor, o diâmetro interno da abertura do orifício de transdutor dita o tamanho do transformador.

[0030] No presente relatório, determinou-se que o transformador de adaptação de impedância pode ser movido uma distância relativamente curta em relação ao elemento piezoelétrico sem degradar severamente o desempenho do elemento piezoelétrico, embora realizando ganhos significativos em confiabilidade de conjuntos de transdutor, aumentando a capacidade de resolver problemas relacionados a conjuntos de transdutor avariados, e diminuindo tempo de manutenção para reparar conjuntos de transdutor avariado. Em particular, no presente relatório foi constatou-se que movendo o transformador de adaptação de impedância para fora de uma barreira de pressão criada pelo conjunto de transdutor, e para fora do orifício de transdutor, leva a: maior tempo médio entre avarias para os conjuntos de transdutor provocadas pelos transformadores de adaptação de impedância; reduz a quantidade de tempo necessária resolver problemas de avarias dos conjuntos de transdutor provocadas por avarias de transformador de adaptação de impedância; e reduz a quantidade de tempo necessária para reparar avarias de transdutor provocadas por avarias dos transformadores de adaptação de impedância.

[0031] Mais particularmente ainda, medidores de fluxo ultrassónicos usando conjuntos de transdutor que produzem energia acústica a frequências de cerca de 125 quilo-Hertz (ou seja, medidores de fluxo ultrassónicos onde o fluido medido é um gás), os elementos piezoelétricos possuem impedâncias de cerca de 1 a 2 quilo-ohms, e circuitos de transmissão/recepção possuem uma impedância de cerca de 30 ohms. Por comparação, medidores de fluxo ultrassónicos que produzem frequências na faixa de 400 quilo-hertz a 1 mega-hertz (ou seja, medidores de fluxo ultrassónicos onde o fluido medido é um líquido) em muitos casos não precisam transformadores de adaptação entre o equipamento eletrônico de controle e os elementos piezoelétricos. Foi constatado que os transformadores de adaptação de impedância podem ser colocados dentro de dois pés ou menos dos elementos piezoelétricos sem degradar severamente o desempenho. Em uma modalidade particular, os transformadores de adaptação de impedância são colocados dentro de seis polegadas do elemento piezoelétrico. Colocar fisicamente a transferência longe do elemento piezoelétrico não apenas afasta o transformador de possível contato com a pressão, temperatura e gases potencialmente corrosivos dentro da câmara de processo, mas também coloca o transformador fora do orifício de transdutor. O relatório passa agora a um conjunto de transdutor ilustrativo.

[0032] A fig.6 mostra uma vista em seção transversal do conjunto de transdutor 600 de acordo com pelo menos algumas modalidades. O conjunto de transdutor 600 é ilustrativo de qualquer um dos conjuntos de transdutor 108, 110, 112, 114, 116, 118, 120 e 122. Em particular, o conjunto de transdutor ilustrativo 600 pode ser considerado como compreendendo quatro componentes principais (de cima a baixo na fig. 6): uma cápsula piezoelétrica ou módulo 602 (discutida com relação à fig. 7); um membro de acoplamento 604 (discutido com relação à fig. 8); uma cápsula de transformador ou módulo 606 (discutido com relação à fig. 9); e um membro retentor de módulo de transformador 608 (também discutido com relação à fig. 9). Cada um será discutido por sua vez.

[0033] A fig. 7 mostra uma vista em seção transversal do módulo piezoelétrico 602 de acordo com várias modalidades. Em particular, o módulo piezoelétrico 602 compreende um elemento piezoelétrico 700 disposto dentro de um material de adaptação de impedância acústica 702. O material de adaptação de impedância 702 tem uma impedância acústica entre a do elemento piezoelétrico 700 e do fluido medido, e em uma modalidade particular, o material de adaptação de impedância 702 é o epóxi. Na modalidade ilustrativa, o elemento piezoelétrico 700 está disposto dentro de um alojamento externo cilíndrico 704 com uma extremidade aberta 706. Em algumas modalidades, o alojamento externo cilíndrico 704 é metálico, mas outros formatos e materiais podem ser usados equivalentemente. O módulo piezoelétrico 602 compreende ainda uma porção de plugue 708 configurada para telescopar-se dentro de um contrafuro do membro de acoplamento 604. Na modalidade ilustrada, a porção de plugue 708 e o alojamento externo cilíndrico 704 são elementos separados acoplados juntos por roscas 710. Os condutores elétricos 712 se acoplam em uma extremidade ao elemento piezoelétrico 700, e se acoplam em uma segunda extremidade aos pinos elétricos 714 na porção de plugue 708. Como ilustrado, dois pinos elétricos 714 são usados, e os pinos elétricos 714 são pinos elétricos ilustrativamente fêmeas; porém, pinos machos podem ser usados equivalentemente, bem como tipos diferentes de conexões elétricas, tais como conexões do tipo coaxiais. Os pinos elétricos ilustrativos 714 são eletricamente isolados da porção de plugue 616 por meio de um membro isolante716, que também pode atuar para reter os pinos 714 no lugar. Finalmente, o módulo piezoelétrico 602 tem ou define um eixo central 750.

[0034] Se referindo à fig. 8, o membro de acoplamento 604 como ilustrado compreende um membro de montagem 800, bem como um membro de transição 802. O membro de montagem define um furo circular 804 ao longo do eixo central 806. O membro de transição 802 telescopa dentro do furo circular 804, conforme discutido mais abaixo. O membro de montagem 800 compreende ainda uma porção de flange 808 disposta em uma porção medial do membro de montagem 800. A porção de flange 808 é configurada para acoplar o conjunto de transdutor à superfície exterior da peça de carretel 102, e em particular acoplar o conjunto de transdutor a uma superfície de flange respectiva 520 (fig. 5). A porção de flange 808 define um piano normal em relação ao eixo central 806 do membro de acoplamento. Por exemplo, a superficie de flange 810 reside dentro e/ou define um piano (na vista da fig. 8, o plano seria meramente uma linha, e assim, está ilustrado como linha tracejada 812). O membro de montagem 800 compreende ainda uma ranhura anular 814 dentro da qual um membro de vedação elastomérica 816 (por exemplo, um anel O-ring) pode ser colocado. Quando o membro de acoplamento 604 é instalado em um orifício de transdutor 504 (fig. 5), o membro de vedação elastomérica 816 se fecha dentro da ranhura anular 814 e contra o diâmetro interno da abertura 524, formando assim uma porção de uma barreira de pressão entre a passagem central 104 (fig. 1) do medidor de fluxo ultrassónico e a atmosfera ambiente. Em outras modalidades, o membro de montagem 800 pode se acoplar à peça de carretel por qualquer meio adequado, tal como por uma conexão rosqueada.

[0035] O membro de transição 802 é disposto dentro do furo circular 804 do membro de montagem 800. Em particular, o membro de transição 804 tem roscas 820 em um diâmetro externo que se acoplam rosqueadamente a roscas 822 em um diâmetro interno do furo circular 804. Outros mecanismos para acoplar mecanicamente o membro de transição 802 ao membro de montagem 800 podem ser usados de modo equivalente. O diâmetro externo do membro de transição também compreende uma ou mais ranhuras anulares com membros de vedação elastomérica correspondentes. Na ilustração da fig. 8, duas destas ranhuras anulares 824 estão mostradas, juntamente com dois membros de vedação elastomérica 826; porém, uma ou mais de cada uma pode ser usada dependendo da pressão máxima esperada dentro do medidor ultrassónico. Os membros de vedação elastomérica 826 se fecham dentro das ranhuras anulares respectivas 824 e o diâmetro interno do furo circular 804, formando assim pelo menos uma porção de uma barreira de pressão entre a passagem central 104 (fig. 1) e a atmosfera ambiente.

[0036] Ainda se referindo à fig.8, o membro de transição 802 compreende ainda uma primeira extremidade 830 (próxima ao módulo piezoelétrico) que tem um contrafuro 832. E dentro do contrafuro 832 que a porção de plugue 708 (fig. 7) do módulo piezoelétrico 602 telescopa, e é pelo menos parcialmente retido no lugar pelo parafuso de ajuste 843. Como ilustrado, dois pinos elétricos 834 residem dentro do contrafuro 832, e os pinos elétricos são dispostos de tal modo que quando a porção de plugue 708 telescopa dentro do contrafuro 832, os pinos elétricos 834 se acoplam eletricamente aos pinos elétricos 714. Embora na figura ilustrativa 8 os pinos elétricos 834 sejam pinos machos, em outras modalidades, pinos fêmea podem ser usados equivalentemente. Os pinos elétricos 834 são eletricamente isolados a partir do equilíbrio do membro de transição 802, que em algumas modalidades é metálico.

[0037] O membro de transição ilustrativo 802 compreende ainda pelo menos uma, e, como ilustrado, duas passagens 840. As passagens 840 se estendem do primeiro contrafuro 832 para um segundo contrafuro 842. Pelo menos um condutor elétrico (não especificamente mostrado) reside dentro de cada passagem 840, desse modo acoplando eletricamente os pinos 834 no primeiro contrafuro 832 aos pinos 844 no segundo contrafuro 842. De acordo com as várias modalidades, as passagens 840 são vedadas, de tal modo que fluido medido dentro do medidor não pode escapar para a atmosfera ambiente através das passagens 840. De acordo com pelo menos algumas modalidades, os selos formados dentro das passagens 840 são selos vidro-metal (o metal sendo o material metálico do membro de transição 802); porém, qualquer mecanismo de vedação adequado pode ser usado de modo equivalente.

[0038] Ainda se referindo à fig. 8, e como mencionado resumidamente em referência às passagens 840, o membro de transição ilustrativo 802 compreende uma segunda extremidade 850 (próxima ao módulo de transformador 606) dentro da qual o contrafuro 842 reside. É dentro do contrafuro 842 no qual uma porção do módulo de transformador 606 telescopa (discutido mais abaixo). Além disso, é dentro do contrafuro 842 que o módulo retentor de transformador telescopa, e em algumas modalidades, o contrafuro 842 compreende roscas 852 em um diâmetro interno do contrafuro 842, de tal modo que o módulo retentor de transformador se acopla rosqueadamente ao membro de transição 802. Como ilustrado, dois pinos elétricos 844 residem dentro do contrafuro 842, e os pinos elétricos são dispostos de tal modo que quando o módulo de transformador 606 é telescopado dentro do contrafuro 842, os pinos elétricos 844 se acoplam eletricamente aos pinos elétricos do módulo de transformador 606. Embora na figura ilustrativa 8 os pinos elétricos 844 sejam pinos machos, em outras modalidades pinos fêmea podem ser usados equivalentemente. Os pinos elétricos 844 são isolados eletricamente a partir do equilíbrio do membro de transição metálico 802. A segunda extremidade 850 do membro de transição 802 reside em um lado do plano 812 definido pela porção de flange 808, enquanto a primeira extremidade 830 do membro de transição 802 reside em outro lado do plano 812.

[0039] A fig. 9 mostra uma vista explodida em seção transversal do módulo de transformador 606 e membro retentor de módulo de transformador 608. Em particular, o módulo de transformador 606 compreende um alojamento externo circular 900 que define um volume interno902. Em algumas modalidades, o alojamento externo circular 900 é de plástico; porém, o alojamento externo circular 900 pode ser feito equivalentemente de outros materiais (por exemplo, metálico). Dentro do volume interno 902 reside o transformador de adaptação de impedância 904. O transformador de adaptação de impedância 904 compreende um enrolamento primário eletricamente acoplado aos pinos 906 por meio de condutores 908, bem como um enrolamento secundário eletricamente acoplado aos pinos 910 por meio de condutores 912. O transformador de adaptação de impedância 904 provê adaptação de impedância entre equipamento eletrônico de controle e o elemento piezoelétrico 700 (fig. 7). Em algumas modalidades, o transformador de adaptação de impedância 904 é suspenso dentro do volume interno 902 por um material polimérico não condutivo (por exemplo, epóxi). O conjunto de transformador 606 compreende ainda uma porção de plugue 920 que telescopa dentro do contrafuro 842 (fig. 8) do membro de transição 802. A porção de plugue 920 do módulo de transformador 606 retém os pinos elétricos 910. Embora as modalidades ilustrativas da fig. 9 mostrem os pinos elétricos 910 como pinos fêmea, pinos macho podem ser usados equivalentemente.

[0040] Ainda se referindo à fig. 9, de acordo com as modalidades ilustradas, o conjunto de transdutor 600 compreende ainda um membro retentor de módulo de transformador 608 que é projetado e construído para reter o módulo de transformador 606 no lugar. Como ilustrado, o membro retentor de módulo de transformador 608 compreende um alojamento externo circular 930 que define um volume interno 932. Em uma extremidade, o alojamento externo circular 930 compreende roscas 934, que se engatam rosqueadamente com roscas 852 (fig. 8) do membro de transição 802. Outro mecanismo para acoplar mecanicamente o membro retentor de módulo de transformador 608 ao membro de transição 802 pode ser usado equivalentemente. O membro retentor de módulo de transformador 608 telescopa sobre o módulo de transformador 606, de tal modo que o módulo de transformador 606 reside dentro do volume interno 932 do alojamento externo circular 930. Um membro de ombro 936 propende o módulo de transformador 606 em direção ao membro de transição 802.

[0041] O membro retentor de módulo de transformador 608 de acordo com pelo menos algumas modalidades compreende ainda uma abertura 940 em uma extremidade distal do mesmo para expor os pinos elétricos 906 para conexão a cabeamento. Em algumas modalidades, a extremidade distal do alojamento externo circular 930 compreende roscas 942 para possibilitar a um conector de um cabo se acoplar mecanicamente ao membro retentor de módulo de transformador 608 enquanto se acopla eletricamente aos pinos elétricos 906 do módulo de transformador 606. Cada um dentre o membro retentor de módulo de transformador 608 e o módulo de transformador 606 possuiu ou define um eixo central 960, de tal modo que quando o membro retentor de módulo de transformador 608 é telescopado sobre o módulo de transformador 606, o membro de retenção 608 e módulo 606 são coaxiais.

[0042] Como mostrado pela disposição ilustrativa dos componentes da fig. 9, o membro retentor de módulo de transformador 608 pode ser desacoplado fisicamente, e o módulo de transformador 606 pode ser fisicamente e eletricamente desacoplado a partir do equilíbrio dos componentes do conjunto de transdutor 600 sem perturbar a barreira de pressão. Em particular, a remoção do membro retentor de módulo de transformador 608 e módulo de transformador 606 não perturba o selo criado pelo membro de vedação elastomérica 816 (fig. 8), ou os selos criados pelos membros de vedação elastomérica 826. Assim, o módulo de transformador 606 pode ser removido e substituído sem escape do fluido medido para a atmosfera, e, por conseguinte, se a necessidade de despressurizar a passagem central 104 do medidor de fluido ultrassónico.

[0043] Cada um dos componentes do conjunto de transdutor ilustrativo 600 tem ou define um eixo central. Em particular, o módulo piezoelétrico 602 tem ou define o eixo central 750 (fig. 7); o membro de montagem 800 e o membro de transição 802 do membro de acoplamento 604 têm ou definem o eixo central 806 (fig. 8); e o membro retentor de módulo de transformador 608 e o módulo de transformador 606 têm ou definem o eixo central 960 (fig. 9). A fig. 10 mostra uma vista em perspectiva explodida do conjunto de transdutor 600, juntamente com o cabeamento 1000, a qual mostra o eixo central de cada componente, e que exprime ainda como os vários componentes são montados. Em particular, a fig. 10 é uma vista em perspectiva explodida que mostra o módulo piezoelétrico 602, uma porção do membro de acoplamento 604 (particularmente, o membro de transição 802), o módulo de transformador 606 e o módulo retentor de transformador 608. A fig. 10 mostra ainda que, de acordo com pelo menos algumas modalidades, os eixos centrais de cada componente são coaxiais quando montados.

[0044] A fig. 10 mostra outras características de vários componentes. Por exemplo, a primeira extremidade 830 do membro de transição 802 compreende uma pluralidade de aberturas 1002. As aberturas podem ser rosqueadas internamente, de tal modo que parafusos de ajuste podem ser aparafusados nas mesmas, com os parafusos de ajuste então entrando em contato com o módulo piezoelétrico 602, retendo a porção de plugue 708 do módulo piezoelétrico 602 no contrafuro 832. Além disso, o membro de transição 802 pode compreender duas ou mais regiões planas 1006 opostamente dispostas na segunda extremidade 850, de tal modo que uma ferramenta pode ser usada para acoplar o membro de transição 802 ao membro de montagem 800 (não especificamente mostrada na fig. 10). Da mesma forma, a porção distal do membro retentor de módulo de transformador 608 também pode ter duas ou mais regiões planas 1008 (apenas uma região dessas está visível na fig. 10), para possibilitar o uso de uma ferramenta para auxiliar no acoplamento do membro retentor de módulo de transformador 608 ao membro de transição 802. Finalmente, o módulo de transformador 606 tem um membro de vedação elastomérica 1010 disposto ao redor da porção de plugue 920 que forma um selo contra a porção de plugue 920 e o diâmetro interno do contrafuro 842; porém, o selo formado pelo membro de vedação elastomérica 1010 pode ser útil na vedação das conexões elétricas contra entrada de umidade da atmosfera ambiente, à medida que outro fluido medido é retido dentro do medidor por outros mecanismos de vedação discutidos.

[0045] A fig. 11 mostra uma vista de elevação em seção transversal do conjunto de transdutor 600 dentro de um orifício de transdutor. O orifício de transdutor 504 é ilustrativo de qualquer um dos orifícios de transdutor 500, 502, 508 e 512. Em particular, a porção de flange 808 do membro de acoplamento 604 é mecanicamente acoplada a uma superfície exterior 1100 da peça de carretel 102, em particular, à superfície de flange 520. Assim, a extremidade proximal ou primeira extremidade 830 do membro de transição 802, tendo o contrafuro 832, é disposta dentro do orifício de transdutor 504. Posto de outro modo, a primeira extremidade 830 reside dentro do volume interno definido pela abertura 524 e ligada pela passagem central 104 em uma extremidade, e a superfície de flange 520 na outra extremidade. Além disso, a extremidade distal ou segunda extremidade 850 do membro de transição 802, tendo o contrafuro, reside fora da superfície exterior 1100. Segue-se a partir da localização da segunda extremidade 850 que o módulo de transformador 606 reside igualmente fora da superfície exterior 1100.

[0046] Tendo o módulo de transformador 606 residindo fora da superfície exterior 1100, o módulo de transformador 606, e o transformador no mesmo, apenas experimenta as oscilações de temperatura associadas com o meio ambiente. Além disso, neste tipo de disposição, o módulo de transformador 608 não é exposto a pressões extremas esperadas dentro da passagem central 104, e não é exposto a compostos potencialmente corrosivos do fluido medido. Além disso, as dimensões físicas do módulo de transformador 606 não são limitadas pelo diâmetro interno da abertura 524 do orifício de transdutor 504.

[0047] O desenho e construção do conjunto de transdutor conduzem a um método de substituir um transformador em falha que é vantajoso em relação a dispositivos da técnica relacionada. Em particular, a fig. 12 mostra um método de acordo com pelo menos algumas modalidades.

[0048] O método começa (bloco 1200) e prossegue para substituir um transformador de um conjunto de transdutor acoplado a um orifício de transdutor de um medidor de fluxo ultrassónico (bloco 1204), a substituição mediante: desconectar um cabo elétrico do conjunto de transdutor (bloco 1208); remover uma primeira cápsula de transformador contendo um primeiro transformador do conjunto de transdutor, a remoção sem remover um elemento piezoelétrico, e a remoção sem liberar na atmosfera fluidos dentro do medidor ultrassónico através do orifício de transdutor (1212); inserir segunda cápsula de transformador contendo um segundo transformador em relação operacional com o conjunto de transdutor (bloco 1216); e em seguida conectar o cabo elétrico ao conjunto de transdutor (bloco 1220). Depois disso, o método termina (bloco 1224).

[0049] Em modalidades que usam um membro retentor de módulo de transformador, após desconectar o cabo elétrico e antes de remover a primeira cápsula de transformador, o membro retentor de módulo de transformador telescopado sobre a primeira cápsula de transformador é removido. Da mesma forma, após a segunda cápsula de transformador ser instalada, o membro retentor de módulo de transformador é telescopado sobre a segunda cápsula de transformador e acoplado ao membro de acoplamento.

[0050] A discussão acima se destina a ser ilustrativa dos princípios e de várias modalidades da presente invenção. Numerosas variações e modificações se tornarão aparentes para aqueles que são versados na técnica uma vez que a divulgação acima seja totalmente apreciada. Por exemplo, enquanto nas modalidades ilustrativas um membro retentor de módulo de transformador retém o módulo de transformador no lugar, em outras modalidades o próprio módulo de transformador pode se acoplar mecanicamente ao membro de acoplamento, de tal modo que nenhum membro de retenção adicional é necessário (por exemplo, o módulo se rosqueia diretamente ao membro de acoplamento). Pretende-se que as reivindicações a seguir sejam interpretadas de modo a abranger todas estas variações e modificações.

Claims

1. Sistema compreendendo: uma peça de carretel (102) que define uma superfície exterior, uma passagem central (104), e um orifício de transdutor (500, 502, 504, 508, 512) se estendendo da superfície exterior para a passagem central (104); o sistema caracterizado por compreender: um conjunto de transdutor (108, 110, 112, 116, 120), como definido na reivindicação 8, acoplado ao orifício de transdutor (500, 502, 504, 508, 512), o conjunto de transdutor compreende: um membro de transição acoplado ao carretel, o membro de transição tendo uma primeira extremidade disposta dentro do orifício de transdutor, e uma segunda extremidade residindo fora da superfície exterior; um membro de acoplamento (604) compreendendo: uma primeira extremidade que tem um primeiro contrafuro (832); uma segunda extremidade oposta à primeira extremidade, a segunda extremidade tendo um segundo contrafuro; um primeiro pino elétrico (834) disposto dentro do primeiro contrafuro (832); um segundo pino elétrico (844) disposto dentro do segundo contrafuro, o segundo pino elétrico (844) eletricamente acoplado ao primeiro pino elétrico (834); e uma porção de flange (808) disposta entre a primeira extremidade e a segunda extremidade, a porção de flange (808) configurada para acoplar o conjunto de transdutor (108, 110, 112, 116, 120) a uma superfície exterior de uma peça de carretel (102) de um medidor ultrassónico (100), a porção de flange (808) define um plano (812) normal em relação a um eixo central (806) do membro de acoplamento (604); um módulo piezoelétrico (602) com um elemento piezoelétrico in (700), o módulo piezoelétrico disposto pelo menos parcialmente dentro do primeiro contrafuro (832), e o elemento piezoelétrico (700) reside totalmente em um primeiro lado do plano (812); um módulo de transformador (606) com um transformador (904) disposto no mesmo, o módulo de transformador pelo menos parcialmente dentro do segundo contrafuro, e o módulo transformador (606) reside totalmente em um segundo lado do plano (812) oposto ao primeiro lado; e um condutor elétrico (834, 844) disposto dentro de uma passagem (840) através do membro de acoplamento (604), o condutor elétrico acopla o transformador (904) ao elemento piezoelétrico (700).

2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o membro de acoplamento (604) compreende adicionalmente: um membro de montagem (800) diretamente acoplado à peça de carretel (102), o membro de montagem (800) compreendendo: uma extremidade proximal disposta dentro do orifício de transdutor (500, 502, 504, 508, 512); uma extremidade distai residindo fora da superfície exterior; um furo de passagem se estendendo da extremidade distai para a extremidade proximal; e uma superfície externa vedada à peça de carretel (102); um membro de transição (802) disposto dentro do furo de passagem, o membro de transição (802) definindo a primeira extremidade, primeiro contrafuro (832), a segunda extremidade e o segundo contrafuro; em que o membro de transição (802) é disposto pelo menos parcialmente dentro do furo de passagem do membro de montagem (800), e o membro de transição (802) é vedado a um diâmetro interno do furo de passagem.

3. Sistema, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o módulo de transformador (606) é configurado para ser removível do membro de transição (802) enquanto o membro de acoplamento (604) é vedado à peça de carretel (102), e enquanto o membro de transição (802) é vedado ao membro de acoplamento (604).

4. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o conjunto de transdutor (108, 110, 112, 116, 120) forma uma barreira de pressão entre a passagem central (104) e pressão ambiente, e em que o módulo de transformador (606) é configurado para ser removível sem expor a passagem central (104) a pressão ambiente através do orifício de transdutor (500, 502, 504, 508, 512).

5. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o conjunto de transdutor (108, 110, 112, 116, 120) compreende adicionalmente um membro de retenção (608) que define um volume interno, o membro de retenção telescopado sobre o módulo de transformador de tal modo que o módulo de transformador reside dentro do volume interno.

6. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender adicionalmente: que o módulo piezoelétrico (602) define um eixo central (750); que o módulo de transformador (606) define um eixo central (960); e que o módulo piezoelétrico (602) e o módulo de transformador (606) são coaxiais.

7. Sistema, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente: que o orifício de transdutor (500, 502, 504, 508, 512) define um eixo central; e que o módulo piezoelétrico (602) e o orifício de transdutor são coaxiais. Ml

8. Conjunto de transdutor (108, 110, 112, 116, 120), caracterizado pelo fato de compreender: um membro de acoplamento (604) compreendendo: uma primeira extremidade que tem um primeiro contrafuro (832); uma segunda extremidade oposta à primeira extremidade, a segunda extremidade tendo um segundo contrafuro; um primeiro pino elétrico (834) disposto dentro do primeiro contrafuro (832); um segundo pino elétrico (844) disposto dentro do segundo contrafuro, o segundo pino elétrico (844) eletricamente acoplado ao primeiro pino elétrico (834); e uma porção de flange (808) disposta entre a primeira extremidade e a segunda extremidade, a porção de flange (808) configurada para acoplar o conjunto de transdutor (108, 110, 112, 116, 120) a uma superfície exterior de uma peça de carretel (102) de um medidor ultrassónico (100), a porção de flange (808) definindo um plano (812) normal em relação a um eixo central (806) do membro de acoplamento (604); um módulo piezoelétrico (602) com um elemento piezoelétrico (700), o módulo piezoelétrico (602) disposto pelo menos parcialmente dentro do primeiro contrafuro (832), e o elemento piezoelétrico (700) residindo totalmente em um primeiro lado do plano (812); um módulo de transformador (606) com um transformador (904) disposto no mesmo, o módulo de transformador (606) disposto pelo menos parcialmente dentro do segundo contrafuro, o módulo de transformador (606) residindo totalmente em um segundo lado do plano (812) oposto ao primeiro lado; e um condutor elétrico (834, 844) disposto dentro de uma passagem (840) através do membro de acoplamento (604), o condutor elétrico acoplando (834, 844) o transformador (904) ao elemento piezoelétrico (700).

9. Conjunto de transdutor (108, 110, 112, 116, 120), de acordo com a reivindicação 8, caracterizadopelo fato de que o membro de acoplamento (604) compreende ainda: um membro de montagem (800) que define um furo circular ao longo do eixo central (806), a porção de flange (808) disposta em uma superfície externa do membro de montagem (800); e um membro de transição (802) disposto dentro do furo circular, o membro de transição (802) definindo a primeira extremidade, primeiro contrafuro (832), a segunda extremidade e o segundo contrafuro; em que o membro de transição (802) se veda contra o diâmetro interno do furo circular do membro de montagem (800).

10. Conjunto de transdutor (108, 110, 112, 116, 120), de acordo com a reivindicação 9, caracterizadopelo fato de compreender adicionalmente: um membro retentor de módulo de transformador (608) telescopado sobre o módulo de transformador (606), o membro retentor de módulo de transformador (609) compreendendo: uma extremidade proximal acoplada diretamente à segunda extremidade do membro de transição (802); uma extremidade distai que tem uma abertura através da mesma, em que a abertura expõe um terceiro pino elétrico (906) acoplado ao transformador (904).

11. Conjunto de transdutor (108, 110, 112, 116, 120), de acordo com a reivindicação 9, caracterizadopelo fato de compreender adicionalmente: um membro retentor de módulo de transformador (608) telescopado sobre o módulo de transformador (606), o membro retentor de módulo de transformador (608) compreendendo: uma extremidade proximal acoplada diretamente ao membro de transição (802); uma extremidade distai que tem uma abertura através da mesma, em que a abertura expõe um terceiro pino elétrico (906) acoplado ao transformador (904).

12. Método compreendendo as etapas de: substituir (1204) um transformador (904) de um conjunto de transdutor (108, 110, 112, 116, 120, 122, 600), como definido na reivindicação 8, que é acoplado a um orifício de transdutor (500, 502, 504, 508, 512) de um medidor de fluxo ultrassónico (100), a etapa de substituição caracterizada por: desconectar (1208) um cabo elétrico (126) do conjunto de transdutor (108, 110, 112, 116, 120, 122, 600); remover (1212) um primeiro módulo de transformador (606) contendo um primeiro transformador do conjunto de transdutor (108, 110, 112, 116, 120, 122, 600), a remoção sem remover um elemento piezoelétrico, e a remoção sem liberar na atmosfera fluidos dentro do medidor ultrassónico através do orifício de transdutor (500, 502, 504, 508, 512); inserir (1216) segundo módulo de transformador (606) contendo um segundo transformador em relação operacional com o conjunto de transdutor (108, 110, 112, 116, 120, 122, 600); e, em seguida, conectar (1220) o cabo elétrico (126) ao conjunto de transdutor (108, 110, 112, 116, 120, 122, 600).

13. Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado por compreender adicionalmente, após desconectar o cabo elétrico (126) e antes de remover o primeiro módulo de transformador (606), remover um membro de retenção (608) telescopado sobre o primeiro módulo de transformador (606).

14. Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado por compreender adicionalmente o fato de que remover o primeiro transformador (904) compreende ainda transladar o primeiro módulo de transformador (606) para fora do conjunto de transdutor (108, 110, 112, 116, 120, 122, 600) ao longo de um eixo central do conjunto de transdutor (108, 110, 112, 116, 120, 122, 600) para efetuar tanto desacoplamento mecânico quanto elétrico.

15. Método, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que transladar compreende adicionalmente transladar para fora ao longo do eixo sem rotacionar o primeiro módulo de transformador (606) sobre o eixo central.