BR112014013060B1

BR112014013060B1 - tubo de sensor, cápsula termométrica, e, método de fabricação de um tubo de sensor

Info

Publication number: BR112014013060B1
Application number: BR112014013060-4A
Authority: BR
Inventors: Lowell A. Kleven
Original assignee: Rosemount Inc.
Priority date: 2011-12-01
Filing date: 2012-10-30
Publication date: 2020-11-10
Also published as: EP2786106B1; IN2014MN00877A; MX343556B; MX2014006372A; CA2857662C; EP2786106A2; US20130142216A1; JP2015500469A; JP5860162B2; US9188489B2; CA2857662A1; AU2012346409A1; BR112014013060A2; AU2012346409B2; WO2013081758A2; WO2013081758A3; CN202956201U; CN103134601A; CN103134601B

Abstract

TUBO DE SENSOR, CÁPSULA TERMOMÉTRICA, E, MÉTODO DE FABRICAÇÃO DE UM TUBO DE SENSOR. A invenção se refere a um tubo de sensor para proteger um sensor inserido em um fluido de processo móvel, que compreende uma seção de interface de processo para montagem em um recipiente de processo; uma seção estendida que se estende da seção de interface de processo para uma extremidade vedada, a seção estendida incluindo uma seção torcida que tem um eixo geométrico longitudinal; em que a seção de interface de processo e a seção estendida definem um orifício de sensor configurado para receber um sensor no mesmo; e em que a seção torcida tem uma seção transversal que inclui pelo menos três paredes igualmente dimensionadas e em que as paredes formam hélices ao longo do eixo geométrico longitudinal da seção torcida. São providos também uma cápsula termo métrica e um método de fabricação de um tubo de sensor.

Description

FUNDAMENTOS

[0001] A presente invenção se refere a um tubo de sensor, tal como uma cápsula termométrica, usado na medição de uma variável de fluido em um processo. Mais especificamente, a presente invenção se refere a uma configuração de tubo sensor que obtém redução de desprendimento de vórtices usando uma técnica de fabricação simples.

[0002] A temperatura de fluido de processo é um parâmetro físico importe que é frequentemente usada para controlar ou monitorar de outra maneira um processo. Uma temperatura de fluido de processo é tipicamente medida usando um sensor de temperatura, tal como um dispositivo de temperatura por resistência (RTD), termopar ou termistor. O sensor de temperatura propriamente dito geralmente não é capaz de resistir ao contato direto com um fluido de processo. Assim, um tubo de sensor, termicamente condutor, tal como uma cápsula termométrica, é usado para prover uma interface com o fluido de processo, enquanto protege o sensor de temperatura. O fluido de processo contata diretamente a cápsula termométrica e calor proveniente do fluido do processo se transfere através da cápsula termométrica para o sensor de temperatura disposto dentro do mesmo. Desta maneira, o sensor de temperatura pode medir precisamente a temperatura do fluido de processo sem contatar diretamente o fluido de processo. Uma cápsula termométrica permite a substituição do sensor de temperatura sem que a vedação do processo tenha que ser rompida.

[0003] Uma vez que os tubos sensores e as cápsulas termométricas são diretamente inseridos no processo, eles são sujeitos a um número de estresses. Quando cápsulas termométricas são usadas em tubos ou tanques, elas sofrem altos estresses de fadiga, causadas por desprendimento de vórtices. Este desprendimento de vórtices ocorre em frequências especificas, como determinadas pelo Número de Strouhal. O Número de Strouhal é aproximadamente 0,22 e varia ligeiramente com o Número de Reynolds. O Número de Strouhal é f.dm/V, onde fs é a frequência de desprendimento, dm é o diâmetro da cápsula termométrica cilíndrica e V é a velocidade de corrente de fluxo. Quando a frequência de desprendimento está próxima à frequência natural da cápsula termométrica, a cápsula termométrica vibrará violentamente em sua frequência natural e excederá os limites de estresse de fadiga. Geralmente, duas velocidades sào preocupantes, as estresses mais altas são causadas por vibração de fluxo cruzado, que é a frequência dada pelo Número de Strouhal. A segunda velocidade que é preocupante é !6 da velocidade dada pelo número de Strouhal. Esta velocidade causa com que a cápsula termométrica vibre em linha com o fluxo e é causada por vórtices desprendidos a partir de cada lado da cápsula termométrica, onde forças no dobro da frequência de desprendimento são geradas. Este modo de vibração usualmente gera menos estresse do que a condição de fluxo cruzado, mas ainda pode causar com que a cápsula termométrica falhe devido à fadiga.

[0004] Projetos de cápsula termométrica são usualmente verificados quanto à exigência da ASME PTC 19.3 TW-2010 e fornecem velocidades de fluxo aceitáveis para as condições especificadas. O modo de vibração em linha é verificado quanto a níveis de estresse em frequências de vórtices de 0,4 a 0,6 da menor frequência natural da cápsula termométrica. Algumas aplicações nesta faixa de velocidade serão inaceitáveis devido a níveis de estresse de fadiga. Esta norma requer que a frequência de vórtices em todas as aplicações seja abaixada de 0,8 da frequência natural.

[0005] Em alguns casos, forças de desprendimento de vórtices podem conduzir ao rompimento da cápsula termométrica devido à falha por estresse de fadiga e, por conseguinte, perda da contenção de pressão e dano em potencial dos componentes a jusante devido a uma parte não afixada no tubo.

[0006] Algumas tentativas foram feitas para reduzir o desprendimento de vórtices a partir de cápsula termométricas. Por exemplo, é conhecido afixar cintas helicoidais a uma cápsula termométrica para reduzir o desprendimento de vórtices. A publicação de Patente Norte-Americana 2008/0307901 Al de Jeremy Knight também mostra uma cápsula termométrica ou um tubo de provas de gás com cintas helicoidais afixadas. Outros métodos para reduzir desprendimento de vórtice podem ser encontrados no artigo de M. M. Zdravkovich, intitulado “Review and Classification of various aerodynamic and hydrodynamic means for suppressing vortex shedding”, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 7 (1981), páginas 145 - 189.

[0007] A provisão de um tubo de sensor, facilmente fabricável, com redução de desprendimento vórtice, representaria um avanço importante para a arte da medição de variáveis de fluido de processo, quando o fluido de processo está escoando ou está de outra maneira em movimento.

SUMÁRIO

[0008] Um tubo de sensor para proteger um sensor inserido em um fluido de processo em movimento é provido. O tubo de sensor inclui uma seção de interface de por para montagem em um recipiente de processo e uma seção estendida que se estende da seção de interface de processo para uma extremidade vedada. A seção estendida inclui uma seção torcida tendo um eixo geométrico longitudinal. A seção de interface de processo e a seção estendida definem um orifício de sensor configurado para receber um sensor no mesmo. A seção torcida tem uma seção transversal que inclui pelo menos três paredes igualmente dimensionadas e em que as paredes formam hélices ao longo do eixo geométrico longitudinal da seção torcida.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0009] A figura 1 é uma vista esquemática de um sistema de medição de temperatura de fluido de processo incluindo uma cápsula termométrica torcida de acordo com uma forma de realização da presente invenção.

[00010] A figura 2 é uma seção transversal esquemática tomada ao longo da linha A-A na figura 1.

[00011] A figura 3 é uma vista esquemática de uma porção de um tubo de sensor torcido de acordo com outra forma de realização da presente invenção.

[00012] As figuras 4A e 4B são vistas de seção transversal esquemáticas de tubos de sensor torcidos de acordo com formas de realização da presente invenção.

[00013] A figura 5 é uma vista esquemática de um tubo de sensor torcido, adelgaçado, de acordo com uma forma de realização da presente invenção.

[00014] A figura 6 é uma vista esquemática de um tubo de sensor torcido, escalonado, de acordo com uma forma de realização da presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[00015] Formas de realização da presente invenção eliminam ou reduzem significantemente as forças causadas por desprendimento de vórtice em uma cápsula termométrica ou outro dispositivo inserido em uma corrente de fluxo de gases, líquidos ou outros fluidos. A eliminação ou redução de desprendimento de vórtice é realizada, em uma forma de realização, por uso de um tubo ou barra quadrado e por torção do tubo ou barra. Mais especificamente, a barra ou tubo é preferivelmente torcida em um passo de 1 volta por 8-16 larguras do quadrado ou por 1 volta por 5, - 11 larguras diagonais para produzir um tubo conformado em espiral. Esta configuração é mais fácil de fabricar e mais reforçada do que os métodos prévios para evitar estresses de desprendimento de vórtice.

[00016] A figura 1 é uma vista esquemática de um sistema de medição de temperatura de fluido de processo incluindo uma cápsula termométrica torcida, de acordo com uma forma de realização da presente invenção. O sistema de medição de temperatura 10 inclui uma cápsula termométrica 12 que tem um sensor de temperatura 13 disposto na mesma. Como exposto acima, o sensor de temperatura 13 pode ser qualquer sensor apropriado e geralmente tem um formato cilíndrico que é recebido em um furo, pelo comprimento, dentro da cápsula termométrica 12. Condutores 30, 34 do sensor de temperatura 13 são acoplados ao circuito apropriado 26 dentro do transmissor de temperatura 14 para medir a temperatura e prover uma indicação da mesma para um controlador de processo ou outro dispositivo apropriado. Um exemplo de um transmissor de temperatura apropriado é o transmissor de temperatura de montagem em cabeçote, Modelo 644, disponível de Emerson Process Management de Chanhassen, Minnesota.

[00017] A cápsula termométrica 12 inclui preferivelmente um flange de vedação de processo 16, que é capaz de ser afixado e vedado em um recipiente de processo, tal como um tubo ou tanque. A cápsula termométrica 12 inclui seção redonda 18, que passa através da seção de interface de processo 16, ilustrada como um flange na figura 1. A seção redonda 18 é preferivelmente soldada ao flange 16 para a resistência e para a estanqueidade a pressão. A cápsula termométrica 12 inclui uma seção estendida que inclui uma seção torcida 20, que se estende da seção redonda 18 para a extremidade vedada 22 da cápsula termométrica 12. Ali está previsto um furo ou orifício longitudinal que corre pelo comprimento da cápsula termométrica 12 para a inserção do sensor de temperatura 13. Em uma forma de realização, a seção transversal da seção torcida 20 é um quadrado e a taxa de torção ou passo da seção 20 é 1 volta por 8-16 larguras da seção ou 1 volta por 5,5-11 larguras diagonais do quadrado, (a diagonal de quadrado seria o diâmetro de cilindro, se feito de um cilindro). Os cantos do quadrado provêm uma superfície reforçada que é exposta ao fluxo versus as cintas helicoidais mais frágeis. A seção do quadrado poderia ir através do flange e ser soldada ao flange, se a seção quadrada é deixada não torcida neste local. O fíiro quadrado de flange seria mais difícil de produzir, mas pode ser realizado. Altemativamente, a seção quadrada poderia ser usinada para redonda e colocada através do flange e soldada. Além disso, a porção torcida não precisa se estender pelo comprimento total da corrente de fluxo desde a seção de interface para a extremidade vedada. Acredita- se que enquanto a porção torcida se estender entre 40% e 100% da corrente de fluxo, estes resultados eficazes serão obtidos.

[00018] A figura 2 é uma seção transversal esquemática tomada ao longo da linha A-A na figura 1. A seção torcida 20 é mostrada tendo uma seção transversal no formato de um quadrado. Os lados do quadrado preferivelmente se estendem até uma pequena distância da seção redonda 18. O orifício 36 é definido pela seção de interface de processo 18 e a seção torcida 20 é configurada para receber um sensor, tal como um sensor de temperatura, no mesmo. Preferivelmente, o orifício 36 é centrado dentro da seção torcida 20 e a seção redonda 18 para receber o sensor. O orifício 36 se estende até a extremidade 22 (mostrada na figura 1), onde a seção torcida 20 é vedada.

[00019] A figura 3 é uma vista esquemática de uma porção de um tubo de sensor torcido de acordo com outra forma de realização da presente invenção. O tubo de sensor 120 tem cantos 122 que são mais espessos que os da forma de realização mostrada na figura 1. A espessura acrescida pode tomar os cantos mais reforçados e capazes de resistir de melhor maneira sobre períodos mais longos.

[00020] As figuras 4A e 4B são vistas de seção transversal esquemáticas de tubos de sensor torcidos de acordo com formas de realização da presente invenção. A figura 4A mostra uma seção transversal de uma porção torcida do tubo de sensor 220 com cantos 222 que têm um radio de curvatura que se adapta à porção cilíndrica 224. Esta forma de realização é particularmente vantajosa onde a porção torcida retangular é originalmente usinada a partir de uma peça cilíndrica. A porção torcida pode ser usinada a partir do cilindro de maneira torcida, ou pode ser primeiramente usinada e então torcida. Cada canto 222 tem um par de arestas 228, que ajudam a reduzir o desprendimento de vórtices, enquanto toma o canto mais reforçado. A figura 4B é similar à figura 4A, todavia, os cantos 322 são simplesmente arredondados antes de a seçào ser torcida.

[00021] A figura 5 é uma vista esquemática de um tubo de sensor torcido, adelgaçado, de acordo com uma forma de realização da presente invenção. O tubo de sensor 400 é adelgaçado na medida em que sua área de seção transversal diminui desde o local 402 para a extremidade distai 404. O tubo de sensor 400 é também mostrado com apenas uma porção sendo torcida. Embora não esteja em escala, a porção torcida 406 importa aproximadamente em 40% do comprimento L.

[00022] A figura 6 é uma vista esquemática de um tubo de sensor torcido, escalonado, de acordo com uma forma de realização da presente invenção. O tubo de sensor 450 é escalonado na medida em que sua área de seção transversal é reduzida em degraus nos locais 452, 454. Novamente, somente uma porção, tal como 40%, do comprimento L é torcida, como indicada pelo número de referência 456.

[00023] Embora formas de realização da presente invenção tenham sido descritas com relação a uma cápsula termométrica quadrada torcida, qualquer número apropriado de lados iguais a, ou maior do que, 3, pode ser usado. Por exemplo, um formato de triângulo torcido, pentágono torcido, ou hexágono torcido, poderiam também ser empregados de acordo com as formas de realização da presente invenção. Todavia, acredita-se que, quando o número de lados aumenta, a eficácia da seção torcida no desprendimento de vórtice irá diminuir à medida que o formato total se toma cada vez mais semelhante a um cilindro.

[00024] Nas formas de realização descritas acima, o tubo de sensor ou cápsula termométrica torcido é geralmente formado de metal. Metal é particularmente útil, porque pode ser usinado facilmente. Especificamente, uma cápsula termométrica de metal de metal, quadrada, pode ser facilmente torcida nas configurações descritas acima. Todavia, metal não é o único material em que as formas de realização da presente invenção são úteis. Em particular, existe um número de aplicações nas quais metal não seria apropriado, tais como em ambientes extremamente corrosivos ou em aplicações de alta temperatura. Em tais casos, outros materiais, tais como cerâmica, poderiam ser usados. Embora tais materiais possam não ser tão dúcteis para a usinagem como metal, eles poderiam ainda ser providos nas configurações descritas acima. Por exemplo, uma cápsula termométrica de cerâmica, quadrada, torcida, poderia ser simplesmente moldada no formato ou configuração desejado antes da queima ou da cura de outra maneira da cerâmica. Em formas de realização nas quais um plástico de material orgânico é usado, métodos de fabricação apropriados, tais como a moldagem por injeção, poderiam ser empregados.

[00025] Embora muitas formas de realização se refiram a uma seção torcida, esta linguagem não é destinada a exigir a ação atual de torcedura para formar a seção. Entretanto, pretende significar que a seção transversal permanece um polígono, enquanto as arestas do polígono formam hélices ao longo do comprimento da seção torcida. Assim, uma seção torcida poderia ser formada de cerâmica moldada, plástico moldado por injeção, metal fundido, e de outra maneira. A seção torcida tem simplesmente seção transversal que inclui pelo menos três paredes, em que as paredes são preferivelmente igualmente dimensionadas e em que as paredes formam hélices ao longo do comprimento da seção torcida.

[00026] Acredita-se que as formas de realização da presente invenção provêm um número de vantagens e sinergias. Especificamente, acredita-se que as paredes da seção torcida são mais robustas do que as cintas que são geralmente frágeis e difíceis de fabricar. Adicionalmente, o uso de uma cápsula termométrica poligonal normalmente teria uma orientação específica em relação ao fluxo de fluido. Todavia, vez que a seção poligonal é torcida, ela é tomada omnidirecional e, assim, não requer qualquer alinhamento em relação à direção de fluxo. Ainda, a utilização de uma construção substancialmente integral não requer quaisquer partes adicionais ou móveis. Finalmente, as arestas poligonais promovem turbulência e, portanto, aumentam a transferência de calor, o que pode reduzir a constante de tempo, autoaquecimento e erro de condução para as formas de realização de cápsula termométrica.

[00027] Embora a presente invenção tenha sido descrita com referência a formas de realização preferidas, os trabalhadores especializados na arte reconhecerão que alterações podem ser feitas na forma e detalhe sem afastamento do espírito e escopo da invenção. Por exemplo, embora formas de realização da presente invenção tenham sido descritas com relação a um tubo de sensor, elas podem ser aplicáveis a antenas automotivas, grandes tubulações submarinas e embarcadouros, ou em outros contextos nos quais a redução de desprendimento de vórtice é desejada. Assim, quando um sensor ou outra estrutura deve ser inserida, ou presente de outra maneira, em um fluido (líquido ou gás) e existe movimento relativo entre o fluido e o sensor ou outra estrutura e desprendimento de vórtice não é desejado, as formas de realização da presente invenção podem ser úteis.

Claims

1. Tubo de sensor (120, 220, 400, 450) para proteger um sensor inserido em um fluido de processo móvel, o tubo de sensor (120, 220, 400, 450) compreendendo: uma seção de interface de processo (16, 18) para montagem para um recipiente de processo; uma seção estendida que se estende da seção de interface de processo (16, 18) para uma extremidade vedada (22), a seção estendida incluindo uma seção torcida (20) que é torcida em torno de um eixo geométrico longitudinal; em que a seção de interface de processo (16, 18) e a seção estendida definem um orifício de sensor configurado para receber um sensor no mesmo; caracterizadopelo fato de que: a seção torcida (20) tem uma seção transversal que inclui pelo menos três paredes igualmente dimensionadas, que definem um polígono, e em que as paredes formam hélices ao longo do eixo geométrico longitudinal da seção torcida (20).

2. Tubo de sensor (120, 220, 400, 450) de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o tubo de sensor (120, 220, 400, 450) é uma cápsula termométrica (12).

3. Tubo de sensor (120, 220, 400, 450) de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que a seção transversal é quadrada.

4. Tubo de sensor (120, 220, 400, 450) de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o tubo de sensor (120, 220, 400, 450) é formado de metal.

5. Tubo de sensor (120, 220, 400, 450) de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o tubo de sensor (120, 220, 400, 450) é formado de cerâmica.

6. Tubo de sensor (120, 220, 400, 450) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o tubo de sensor (120, 220, 400, 450) é formado de plástico.

7. Tubo de sensor (120, 220, 400, 450) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um sensor disposto no orifício de sensor, o sensor tendo uma característica elétrica que varia com uma variável de processo.

8. Tubo de sensor (120, 220, 400, 450) de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o sensor é um sensor de temperatura (13) e compreende ainda um transmissor de temperatura acoplado ao sensor.

9. Tubo de sensor (120, 220, 400, 450) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a seção torcida (20) tem um passo que é aproximadamente 1 volta por 8-16 larguras de uma das paredes igualmente dimensionadas.

10. Tubo de sensor (120, 220, 400, 450) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as paredes se unem conjuntamente em cantos arredondados.

11. Tubo de sensor (120, 220, 400, 450) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o tubo de sensor (120, 220, 400, 450) é um tubo de sensor (120, 220, 400, 450) adelgaçado.

12. Tubo de sensor (120, 220, 400, 450) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o tubo de sensor (120, 220, 400, 450) é um tubo de sensor (120, 220, 400, 450) escalonado.

13. Tubo de sensor (120, 220, 400, 450) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que um comprimento da seção estendida compreende a seção torcida (20).

14. Tubo de sensor (120, 220, 400, 450) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a seção transversal inclui quatro paredes igualmente dimensionadas.

15. Cápsula termométrica (12) tendo um eixo geométrico longitudinal e sendo inserível em um recipiente de fluido de processo por um comprimento de inserção, a cápsula termométrica (12) compreendendo: uma interface de processo para passagem através de uma parede do recipiente de processo e vedação ao recipiente de processo; caracterizadapelo fato de que compreende ainda: uma porção torcida conectada à interface de processo e que tem uma seção transversal poligonal que é torcida em torno do eixo geométrico longitudinal, em que a seção transversal poligonal inclui pelo menos três paredes adjacentes.

16. Cápsula termométrica (12) de acordo com a reivindicação 15, caracterizadapelo fato de que o polígono tem cantos que têm um raio de curvatura.

17. Cápsula termométrica (12) de acordo com a reivindicação 15, caracterizadapelo fato de que a porção torcida se estende entre cerca de 40% e 100% do comprimento de inserção.

18. Cápsula termométrica (12) de acordo com a reivindicação 17, caracterizadapelo fato de que a porção torcida se estende de uma extremidade distal da cápsula termométrica (12).

19. Método de fabricação de um tubo de sensor (120, 220, 400, 450), o método compreendendo: prover uma seção de interface de processo (16, 18) para montagem para um recipiente de processo; o método caracterizadopelo fato de que compreende ainda: acoplar uma seção estendida à seção de interface de processo (16, 18), a seção estendida se estendendo da seção de interface de processo (16, 18) para uma extremidade vedada (22), e com uma seção transversal, que forma um polígono, em que a seção transversal poligonal inlcui pelo menos três paredes adjacentes; e gerar uma seção torcida (20) na seção estendida, torcendo a seção de extremidade da seção em torno de um eixo geométrico longitudinal com relação à seção de interface de processo (16,18).

20. Método de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que gerar a seção estendida inclui torcer fisicamente a seção torcida (20) em relação à seção de interface de processo (16, 18).