BR112019024224B1 - Sistema para medir continuamente o fluxo de um meio - Google Patents

Abstract

Aparelhos e métodos para projetar um sistema que mede a deflexão em vários pontos e em vários eixos e como ele se relaciona com a medição de fluxo são descritos. Um sistema para medir continuamente o fluxo de massa de uma mídia inclui um ou mais cartuchos, um ou mais dispositivos sensores de deslocamento e um processador. Os um ou mais cartuchos são conectados serialmente entre um tubo de entrada e saída de mídia. O um ou mais dispositivos com detecção de deslocamento é configurado para detectar alterações de deslocamento de um ou mais cartuchos em dois ou mais pontos separados no (s) cartucho (s) quando a mídia flui através do (s) cartucho (s). O processador está configurado para calcular o fluxo da mídia com base nas alterações de deslocamento detectadas de um ou mais cartuchos nos um ou mais pontos separados.

Description

REFERÊNCIA CRUZADA PARA PEDIDOS RELACIONADOS

[001] O presente pedido reivindica o benefício de prioridade do Pedido de Patente Provisório US 62/507,634, depositado em 17 de maio de 2017, e do Pedido Não Provisório US 15/873,646, depositado em 17 de janeiro de 2018, os quais estão incorporados a este documento pela referência nas suas totalidades.

CAMPO

[002] A presente invenção diz respeito ao campo de dispositivos de medição. Especificamente, ela diz respeito a dispositivos e métodos para a medição em linha contínua em tempo real das características de fluxo e Assinatura de Processo exclusiva de meios contínuos fluindo através de uma tubulação.

ANTECEDENTES

[003] Outros medidores de fluxo no mercado estão no mercado há décadas, mas ainda têm muitas desvantagens que limitam seus usos.

[004] Medidores de fluxo eletromagnéticos usam a Lei de Faraday de indução eletromagnética para medir fluxo. Eletrodos são colocados em ângulos retos para a direção do campo magnético e direção de fluxo do tubo. Quando um fluido condutivo eletricamente flui através do tubo, os eletrodos medem uma voltagem. Esta voltagem é diretamente proporcional à velocidade de fluido. Embora este método tenha muitas vantagens tais como não ter partes móveis, fluxo desobstruído e nenhuma queda de pressão, este método trabalha somente com líquidos de baixa condutividade. Isto proíbe o uso de pastas fluidas altamente condutivas tais como minérios de ouro. Isto também proíbe o uso de uma pasta fluida com uma alta concentração de gases arrastados.

[005] Medidores de fluxos ultrassônicos medem ondas sonoras através de um fluido. Quando o fluxo é zero, a frequência do ultrassom não é alterada. Quando o fluxo é maior que zero, a frequência do ultrassom refletido é mudada devido ao efeito Doppler. O uso de medidores de fluxos ultrassônicos é atrativo porque não existe queda de pressão, manutenção é baixa e eles não são muito afetados por temperatura, densidade e concentração. Entretanto, medidores de fluxos ultrassônicos são altamente dependentes do perfil de fluxo. Portanto, depósitos de sedimentos e bolhas de gás afetam amplamente as leituras e causam erros grandes. Também, temperatura, densidade e concentração afetam significativamente o modo em que a onda ultrassônica é refletida. Grandes concentrações de sólidos podem bloquear completamente o sinal.

[006] Medidores de fluxo de massa de Coriolis medem a taxa de fluxo de massa de um fluido deslocando através de um tubo. Medidores de Coriolis não medem fluxo volumétrico, mas fluxo de massa. Eles alcançam isto ao medir a mudança em vibrações em um tubo curvado. O tubo curvado é girado. Quanto mais pesado o tubo mais lento ele girará. Isto causa uma mudança em vibração no tubo curvado. Esta medição de vibração é muito precisa para medições tanto de fluxo de massa quanto de densidade. Estes medidores são altamente sensíveis a vibrações, entretanto. Portanto, inclusões de gás, particulados e instalação inadequada podem criar erros grandes nas leituras. Devido a vibrações serem medidas, os materiais no projeto e o diâmetro do medidor são muito limitados. O diâmetro não pode exceder aproximadamente 6” (15,24 cm), mas mesmo nesse tamanho frequentemente é de custo proibitivo.

[007] Medidores de fluxo de pressão diferencial usam a equação de Bernoulli para medir o fluxo através de um orifício em um tubo. O pequeno orifício causa uma queda de pressão que é medida por dois medidores de pressão. Quando o fluxo aumenta, uma queda de pressão maior é criada. A equação de Bernoulli especifica que a queda de pressão é proporcional ao quadrado da taxa de fluxo. Isto é inibitivo já que reduz drasticamente a extensão que pode ser medida (dez por cento de fluxo de escala total produz somente um por cento da pressão diferencial de escala total). Embora barato e universalmente útil para líquidos, gases e vapores, a queda de pressão causada pode ser inibitiva para algumas aplicações. Devido ao projeto intrusivo, sólidos não podem ser incluídos no fluxo.

[008] Medidores de fluxo de turbina usam a energia mecânica do fluido para girar um rotor de cata-vento localizado no fluxo. Pás do rotor são anguladas para transformar energia mecânica em energia rotacional. À medida que a velocidade do fluxo aumenta, o rotor gira proporcionalmente mais rápido. Medidores de fluxo de turbina têm o benefício de serem viáveis em temperaturas e pressões extremas (usadas em aplicações criogênicas). Entretanto, eles não podem ser usados em viscosidades altas, são extremamente sensíveis à contaminação e são afetados pelo perfil de fluxo.

[009] Medidores de fluxo de área variável retratam um tubo afunilado com a extremidade mais ampla para cima. Dentro do tubo, um flutuador se desloca livremente para cima e para baixo. O meio flui através do medidor de fluxo da parte inferior para a parte superior e junto do flutuador. Este fluxo sobe até que exista uma folga anular e um equilíbrio seja estabelecido. Três fatores agem sobre o flutuador: flutuabilidade, massa e força de fluxo. Embora baratos e adequados para líquidos, gases e vapores, medidores de fluxo de área variável precisam ser montados verticalmente e sempre causam uma queda de pressão constante. Eles também são afetados por concentração de sólidos, densidade, temperatura e mudanças de viscosidade.

[010] Medidores de fluxo de vórtice medem a velocidade de fluxo de líquidos e gases em um tubo cheio. Medidores de fluxo de vórtice usam o efeito de Karmam para medir o período entre redemoinhos criados por uma obstrução, via sem saída, construída na tubulação. Esta obstrução é caracterizada por uma frente plana ampla com uma extremidade afunilada. Os redemoinhos são criados de um lado da via e depois do outro lado. Os redemoinhos são formados perpendiculares ao eixo do tubo. A velocidade de fluxo é proporcional à frequência dos vórtices. A taxa de fluxo é então calculada ao multiplicar a área do tubo pela velocidade do fluxo. Medidores de fluxo de vórtice não são afetados por pressão, temperatura e densidade. Entretanto, eles são intrusivos e não têm leituras de confiança para taxas de fluxo baixas.

[011] Em muitas indústrias, empresas estão procurando medidores de fluxo que atingem vários pontos de projeto. Muitos pontos são mais importantes para aplicações diferentes. Muitos fatores que são importantes para o projeto de medidores de fluxo incluem o seguinte: sem obstruções dentro do tubo, pouca a nenhuma queda de pressão; nenhuma sensibilidade ao perfil de fluxo; nenhuma sensibilidade à temperatura, densidade e condutividade; capacidade para mudar materiais para combater quimicamente e fisicamente meios agressivos; operável em ambas as direções de fluxo; faixa ampla de velocidades de fluxo; e baixa manutenção.

SUMÁRIO

[012] Devido às limitações de medidores de fluxo anteriores, modalidades da invenção incluem um aparelho e método para medir o fluxo enquanto não interferindo com a integridade do sistema no lugar. De acordo com uma modalidade da presente invenção, o aparelho pode ser unido por flanges ao corpo de tubulação existente. Esta modalidade pode ser alterada para acomodar muitas aplicações diferentes. Estas alterações podem incluir vários revestimentos projetados para resistir ao desgaste e corrosão devido aos meios químicos e físicos, conformidade regulatória com meios específicos, resistência a uma variedade de condições e exigências de processamento específicas, nenhuma queda de pressão e uma insensibilidade à condutividade. Este aparelho também pode ser equipado com sensores adicionais para medir variáveis adicionais aplicáveis para várias indústrias, tais como detector(es) de desgaste, sensor(es) de temperatura, sensor(es) de vibração, sensor(es) de impacto, vários sensores de movimento, dispositivo(s) de medição de deflexão, sensor(es) químico(s), sensor(es) biológico(s) e sensor(es) de pressão de linha. Quando acoplado com um medidor de densidade, estas variáveis podem incluir fluxo de massa e porcentagem de sólidos. Este aparelho pode agir como um componente único que pode ser fixado em linha em tubulação existente comum na indústria. O fluxo de entrada e o fluxo de saída do aparelho são fixados em um modo apropriado para os versados na técnica com vedações e flanges apropriados para assegurar que não existe vazamento que possa danificar o aparelho ou sistema. O aparelho pode compreender uma abundância de sensores adicionais tal como determinado pelo processo instalado, incluindo, mas não limitado a isto, sensor(es) de desgaste, sensor(es) de temperatura, sensor(es) de vibração, sensor(es) de impacto, vários sensores de movimento, dispositivo(s) de medição de deflexão, sensor(es) químico(s), sensor(es) biológico(s) e sensor(es) de pressão de linha. O aparelho total pode ser um componente com múltiplas localizações de medições que agem em um modo confiável, consistente e repetível.

[013] A saída principal do aparelho de acordo com algumas modalidades compreende uma Assinatura de Processo exclusiva (“Assinatura RM”) que é exclusiva para cada meio em cada instalação. A Assinatura RM caracteriza a natureza do processo para um dado meio específico. Ao instalar o aparelho, engenheiros de processo podem analisar o desempenho do processo e a condição do meio dentro da tubulação. Estes dados podem ser críticos para o Controle de Processo Estatístico do processo. A Assinatura RM pode ser usada para determinar muitos fatores, incluindo homogeneização de mistura, o grau de floculação, bloqueios de processo, gravidade específica do meio e a taxa de fluxo do meio dentro da tubulação, permitindo que o fluxo de massa seja medido precisamente.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DOS DESENHOS

[014] A figura 1 é uma vista isométrica de um aparelho para medir o fluxo de um meio enquanto não sendo afetado por quedas de pressão e mudanças de temperatura. O aparelho contém múltiplos sensores para medir a pressão e temperatura assim como a massa dentro do tubo em múltiplos pontos, de acordo com modalidades da presente invenção.

[015] A figura 2 é uma vista de seção transversal da configuração de aparelho da figura 1.

[016] A figura 3 é um diagrama ilustrando um exemplo de como o fluxo seria medido dentro do tubo.

[017] A figura 4A é um esquema de uma parte do aparelho ilustrando os dispositivos sensores de pressão, temperatura e de deslocamento, e o processador e mostrador (display), de acordo com modalidades da presente invenção.

[018] A figura 4B é um esquema de uma parte do aparelho ilustrando os dispositivos sensores de pressão, temperatura e de deslocamento, e o processador e mostrador (display), incluindo dois cartuchos separados, de acordo com modalidades da presente invenção.

[019] A figura 4C é um esquema de uma parte do aparelho ilustrando os dispositivos sensores de pressão, temperatura e de deslocamento, e o processador e mostrador (display), incluindo dois cartuchos separados, com suportes verticais entre os cartuchos separados, de acordo com modalidades da presente invenção.

[020] A figura 5A é uma vista uma vista lateral do cartucho com um fio helicoidal de acordo com modalidades da presente invenção.

[021] A figura 5B é uma vista explodida ilustrando componentes típicos de cartucho de acordo com uma aplicação de especificação de modalidades da presente invenção.

[022] A figura 6 ilustra uma vista de uma massa elementar se deslocando dentro de um tubo para calcular uma taxa de fluxo de massa.

[023] A figura 7 é um gráfico mostrando uma massa determinada como uma função do tempo usando dois dispositivos sensores de deslocamento de acordo com modalidades da presente invenção.

[024] A figura 8 é um gráfico mostrando uma densidade de massa determinada como uma função do tempo usando dois dispositivos sensores de deslocamento de acordo com modalidades da presente invenção.

[025] A figura 9 ilustra um layout de processo incluindo um aparelho de acordo com modalidades da presente invenção.

[026] A figura 10 ilustra um fluxograma de processo de um processo de aplicação exemplar para misturar dois componentes de gravidades específicas diferentes de acordo com modalidades da presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[027] A invenção será descrita a seguir com mais detalhes considerando os desenhos. Esta descrição é meramente uma modalidade de uma configuração do sistema. Esta descrição não deve ficar limitada somente à modalidade exposta na mesma. Esta modalidade é fornecida para permitir um entendimento completo do escopo e capacidades da invenção e método.

[028] Deve ser notado que na presente descrição os termos descrevendo os objetos devem ser entendidos como significando que o cartucho de teste principal 1 fica ao longo do eixo x e o dispositivo sensor de deslocamento 2 aponta ao longo do eixo z. Estas dimensões devem ser realizadas em um espaço euclidiano tridimensional. Deve ser entendido que na presente descrição os termos “superior”, “inferior”, “frente”, “vertical”, “horizontal” e derivativos dos mesmos dizem respeito às figuras 1-3 e à orientação de objetos descritos.

[029] Também deve ser notado que o termo “meio” deve ser entendido como representando um conjunto amplo de materiais adequados, incluindo, mas não limitado a isto, líquidos, pastas fluidas, lamas, óleos, meios desidratados, meios gasosos, sólidos tais como pós e qualquer outro material capaz de fluir.

[030] Com relação à figura 1, um sistema (aparelho 100) é descrito que retém um meio fluindo (não mostrado) e inclui um cartucho flexível 1 dentro de um envoltório 7 com uma configuração de tubulação horizontal 3. O meio fluindo flui dentro do cartucho 1. A configuração de tubulação 3 atravessa os lados do envoltório 7. A configuração de tubulação 3 tem duas conexões 5, em uma entrada e uma saída respectivamente, para o cartucho flexível 1. Estas conexões flangeadas ou de acoplamento 5 mostradas são meramente um método de conexão e são reconhecíveis para os versados na técnica. A configuração de tubulação 3 pode ser suportada por múltiplos suportes verticais 4 e conectada ao solo. Os suportes verticais 4 são presos por meio de fixadores conhecidos para as pessoas na indústria.

[031] Os dois suportes de tubo verticais 4 são usados para agir como um redutor de vibração. Embora dois suportes estejam ilustrados, mais suportes podem ser desejáveis. Estes suportes 4 podem ser feitos de aço carbono devido a sua tenacidade e sua trabalhabilidade. Outros materiais podem ser usados como substitutos a critério dos versados na técnica. Os dois suportes de tubo verticais 4 podem compreender colunas de suporte configuradas para suportar o cartucho 1 em qualquer ponto ou pontos entre extremidades do cartucho 1.

[032] O envoltório 7 pode ficar elevado acima do solo para minimizar os efeitos de vibração do solo. Os suportes verticais 4 têm conexões flangeadas que fixam uma caixa de dispositivo de medição 6. A caixa de dispositivo de medição 6 tem contato mínimo com o dispositivo sensor de deslocamento 2 para reduzir a quantidade de vibrações que alcançam o dispositivo sensor de deslocamento 2, o qual pode incluir um laser, por exemplo.

[033] Estes sistema e método podem incluir também um dispositivo sensor de temperatura 12 e um dispositivo sensor de pressão 10 (ver as figuras 4A - 4C), os quais podem ser dispostos dentro do envoltório 7 para medir as condições do aparelho. O sistema pode incluir também sensores de impacto ou de vibração.

[034] De acordo com esta modalidade, o cartucho 1 pode ser conectado em série à configuração de tubulação horizontal 3. O cartucho 1 pode ser feito de material flexível, por exemplo, borracha. A flexibilidade permite um deslocamento vertical do cartucho 1 quando o meio flui através do cartucho 1. O cartucho 1 pode ter um deslocamento linear vertical proporcional à massa do meio fluindo.

[035] A caixa de dispositivo de medição 6 pode incluir um dispositivo sensor de deslocamento 2 montado sobre uma base. Preferencialmente, o dispositivo sensor de deslocamento 2 pode ser montado debaixo do cartucho 1. Este deve ser montado de acordo com especificações específicas para o dispositivo de montagem de medição. Em uma modalidade, o dispositivo sensor de deslocamento 2 inclui um sensor de deslocamento de alta velocidade e alta precisão. Este sensor é meramente uma modalidade exemplar e outras modalidades são possíveis. O sensor pode compreender um detector de rádio, tal como radar, um detector ótico, tal como um laser, um detector de deslocamento acústico, um detector de deslocamento mecânico, um detector de deslocamento eletromecânico ou um detector de deslocamento piezoelétrico. Um detector ou refletor óticos, referido como um alvo, pode ser incorporado ao cartucho, ou a superfície do cartucho propriamente dito pode ser usada como um alvo para dispositivos de medição sem contato. O emissor e receptor de onda de rádio e ótica, tal como dispositivos de medição de Detecção e Telemetria por Rádio (RADAR) ou de Luz Amplificada por Emissão Estimulada de Radiação (LASER), podem compreender uma emissão de onda contínua ou onda pulsada. O movimento do cartucho 1 pode ser medido ao comparar as características da onda emitida com as da onda retornada da área alvo no cartucho. Ao comparar a mudança de fase ou ao medir o tempo exigido para um pulso de onda ser refletido pelo alvo, por exemplo, medições muito precisas de distância podem ser obtidas. Uma vez que pulsos de laser podem ser tão pequenos quanto 1x10- 15 segundos, leituras tão próximas quanto praticáveis para instantâneas podem ser obtidas.

[036] De modo similar, um emissor e receptor acústico, tal como um dispositivo de medição ultrassônico, mede a mudança em onda sônica emitida versus a retornada.

[037] Dispositivos elétricos e eletromecânicos correlacionam uma mudança em propriedades elétricas versus a distorção de um elemento condutivo ou movimento de componentes mecânicos.

[038] Dispositivos de medição mecânicos simplesmente registram o movimento por meio de deslocamento de componentes mecânicos.

[039] A utilidade principal da caixa de dispositivo de medição 6 é reter o dispositivo de medição de deslocamento. Esta caixa 6 pode ser feita de um material com um coeficiente de expansão térmica baixo (CTE). A caixa 6 pode ser construída em uma multiplicidade de padrões diferentes para minimizar os efeitos de vibração do fluxo. As paredes laterais da caixa 6 são conectadas aos suportes verticais. Esta conexão tipicamente é aparafusada conjuntamente porque isto permite que a caixa seja removida. Outros tipos de conexão também são possíveis. Vedações podem ser utilizadas para reduzir adicionalmente a quantidade de vibração.

[040] O dispositivo sensor de deslocamento 2 pode incluir, como uma alternativa a incluir um laser, um Transformador Diferencial Variável Linear (LVDT), detector ultrassônico ou um medidor de deformação, por exemplo.

[041] O dispositivo sensor de deslocamento 2 preferivelmente é um dispositivo sensor sem contato, tal como incluindo um laser, e assim o dispositivo sensor de deslocamento 2 não contacta o cartucho 1.

[042] O dispositivo sensor de deslocamento 2 pode ser disposto dentro de um envoltório 7. Este envoltório 7 pode ser feito de um material de baixa condutividade elétrica tal como alumínio. O envoltório tipicamente pode ter uma superfície lisa com uma parte superior aerodinâmica curvada para impedir que chuva ou neve acumule em cima do aparelho. O envoltório 7 também pode ser usado para minimizar oscilações de temperatura e umidade e efeitos devido a condições meteorológicas (isto é, vento e chuva). Os tubos de fluxo de entrada e de fluxo de saída 3 atravessam aberturas nas paredes laterais do envoltório 7. A base do dispositivo sensor de deslocamento 2 é disposta dentro da caixa 6 e dentro do envoltório 7. O envoltório 7 é feito para trancar e vedar, protegendo o conteúdo dentro dele.

[043] O envoltório 7 pode minimizar os efeitos da temperatura e umidade do lado de fora nas medições. Portanto, o envoltório 7 preferencialmente é leve para reduzir a quantidade de deformação no sistema.

[044] Após uma medida precisa do deslocamento do cartucho 1 ser obtida, um valor de massa pode ser gerado. Este valor pode ser usado para calcular o fluxo se o volume de cartucho for conhecido (o volume do cartucho não muda).

[045] Um dispositivo sensor de pressão 10 (ver as figuras 4A - 4C) pode ser usado para monitorar a pressão dentro da tubulação. Vazamentos e rupturas, assim como aberturas de válvula na tubulação, podem causar mudanças de pressão. Uma leitura de pressão de zero pode indicar uma ruptura no sistema. Um aumento grande em pressão pode fazer com que o cartucho 1 exploda. Medidas de segurança são empregadas para assegurar que a pressão é controlada. O dispositivo sensor de pressão 10 pode servir como um alarme no caso de um grande desvio de pressão. Em algumas modalidades deste projeto, um sensor de desgaste pode ser instalado para indicar a utilidade do cartucho. O dispositivo sensor de pressão 10, o dispositivo sensor de temperatura 12 e/ou o dispositivo sensor de deslocamento 2 lendo fora da faixa pretendida pode enviar um alarme.

[046] O cartucho 1 pode ser leve, tornando sua massa desprezível quando comparada com a do meio fluindo dentro dele. O cartucho 1 também pode ser flexível na escala de mícrons, de maneira que ele irá defletir por uma quantidade que escala com sua massa. O cartucho 1 preferivelmente é feito de um material com uma expansão térmica baixa para minimizar o efeito de temperatura; por exemplo, tecido de poliaramida. Este material leve pode ser muito resistente às mudanças em temperatura. Em uma iteração do projeto, um revestimento resistente à abrasão ou resistente à corrosão (por exemplo, uma borracha resistente) pode ser colocado no interior do cartucho 1. O cartucho 1 pode compreender um revestimento resistente a risco microbiano ou biológico. O cartucho 1 pode compreender um revestimento resistente a ambientes de temperaturas extremas. Isto permite que o aparelho suporte pastas fluidas abrasivas e estenda a vida útil do dispositivo. Deflexão e deslocamento do cartucho 1 podem ser detectados e quantificados pelo dispositivo sensor de deslocamento 2. A deflexão pode ser transladada para uma força e uma massa pode ser calculada com base na força. A magnitude da força aumenta proporcionalmente com a massa do meio dentro do cartucho 1. De modo similar, a força devido à gravidade que é aplicada ao cartucho 1 causa uma deflexão previsível, mensurável e proporcional do cartucho 1, em uma direção perpendicular ao eixo x. Se o cartucho 1 não puder retornar para sua forma original após a massa da pasta fluida ter sido removida, a medição de deslocamento não será precisa. Assim, o cartucho 1 é compreendido de um sistema que recupera sua forma original em um modo repetível. Uma referência de linha de base constante pode ser usada para aumentar a precisão de medições de densidade em tempo real. O cartucho 1 pode ter um deslocamento linear vertical proporcional à massa do meio fluindo.

[047] O cartucho 1 também pode ser equipado para resistir às deformações causadas por mudança de pressão. Um sistema de controle de pressão pode ser implementado dentro do cartucho 1. Neste aspecto, um fio helicoidal 20 pode ser implantado dentro do material, tal como borracha, do cartucho 1 tal como mostrado na figura 5B. O fio também pode fornecer resistência para condições como vácuo e manter a forma do cartucho 1. Neste projeto, uma pluralidade de vigas de módulo alto (rígidas mecanicamente) de várias seções transversais e segundo momento de área também são embutidas diretamente na parede do cartucho 1. Estas vigas são colocadas espaçadas uniformemente ao longo do raio externo. As vigas de módulo alto operam bem dentro de seu limite elástico e, portanto, sempre retornam para sua posição pré-defletida após a força ter sido removida.

[048] A figura 5A ilustra componentes típicos de cartucho para uma aplicação específica. Referindo-se à figura 5B, uma vista explodida do cartucho 1 está mostrada. O cartucho 1 também pode ser configurado para resistir à mudança de pressão já que pressão pode mudar a flexibilidade do cartucho 1. Um sistema de controle de pressão pode ser implementado dentro do cartucho 1. Em um aspecto, um fio helicoidal 20 é implantado na parede do cartucho 1 (ver a figura 5A). O passo do fio terá um impacto direto na flexibilidade do cartucho 1. O fio também pode fornecer resistência para condições como vácuo e manter a forma do cartucho, importantes para leituras precisas. Em um outro aspecto, uma pluralidade de tubos de módulo alto (isto é, rígidos mecanicamente) é embutida diretamente na parede do cartucho. Estes tubos são posicionados em pontos girados por 45°, 135°, 225° ou 315° em volta de um eixo coincidente com a linha de centro do cartucho. Os tubos de módulo alto capacitam o cartucho para retornar para um ponto zero confiável, isto é, para a posição do cartucho dado o peso do cartucho mais o peso do líquido no interior. A quantidade e espessura dos tubos podem ser alteradas para aplicações diferentes. Os tubos não são somente fixados à parede do cartucho propriamente dito, mas também às conexões de flanges (por exemplo, fixados em flange de borracha). Pontos fixos permitem que os tubos flexionem e estimulem o cartucho para retornar para uma localização definida. Os tubos de módulo alto podem ser tubos feitos de fibras de carbono ou de outros materiais adequados.

[049] A adição das vigas de módulo alto eliminam todas as características dependentes de tempo tais como fenômenos de deformação e de relaxamento de tensão que exigem algoritmos de compensação complexos, capacitando desse modo o cartucho para retornar para um ponto zero confiável em um modo previsível e mensurável, isto é, permitindo determinação muito precisa da posição do cartucho 1 dada a massa do cartucho mais a massa do meio no interior. A quantidade, seção transversal e segundo momento de área das vigas podem ser alterados para aplicações diferentes. As vigas não são somente fixadas à parede do cartucho 1, mas também ao flange de extremidade ou acoplamento de extremidade ou a quaisquer outros métodos de conectar tubos. Pontos fixos permitem que as vigas flexionem e assegurem que o cartucho 1 é retornado para uma posição definida. As vigas de módulo alto podem compreender metal, cerâmica, materiais compostos fibrosos, tais como fibras de carbono ou fibras de vidro, ou um outro material orgânico, inorgânico ou material compósito.

[050] Tal como mostrado na figura 4A, o processador 14 é conectado aos diferentes componentes, tais como os dispositivos sensores de deslocamento 2, os dispositivos sensores de pressão 10 e os dispositivos sensores de temperatura 12 e todos os outros dispositivos que podem ser adicionados ao aparelho, dependendo da natureza da aplicação. O processador 14 adquire todos os dados pertinentes, e pode processar dados em uma taxa de até um femtossegundo. Estes dados incluem a temperatura, pressão, voltagem de sensor a laser, massa, força, vibração, impacto, cargas externas, tais como cargas de vento, etc. Estes dados podem ser usados para calcular uma variedade de valores incluindo massa, densidade, gravidade específica, fluxo de massa e outras quantidades relacionadas. Os dados coletados e valores calculados podem ser exibidos em um dispositivo de exibição local 16, por exemplo. Os dados podem ser exibidos como gráficos, tabelas, números ou outros formatos adequados. O mostrador (display) local 16 pode ser colocado dentro de um alojamento que satisfaça as exigências padrões da Associação Nacional de Fabricantes Elétricos (NEMA). Este alojamento pode proteger o sistema de medição contra os efeitos de condições meteorológicas, fogo e poeira assim como outras condições adversas. As figuras 4A-4C também mostram o tubo de fluxo de entrada 3a e o tubo de fluxo de saída 3b.

[051] O método principal para medir o fluxo é medir o deslocamento criado por mudanças em massa no cartucho 1. Ao adicionar uma massa ao cartucho via um meio se deslocando dentro do cartucho, o cartucho deflete. Quando uma parte de fragmentos arrastados dentro do meio sendo analisado está acima de um dos dispositivos de medição de deflexão 2, o dispositivo 2 gerará uma voltagem no dispositivo de medição de deflexão. Esta deflexão pode ser transladada para uma medição de massa usando equações de deflexão de viga simples. Se a área seccional transversal do interior do tubo for conhecida ou medida, o fluxo de volume pode ser determinado. Com base na área seccional transversal e na velocidade de partículas, o fluxo pode ser determinado. De modo similar, à medida que qualquer meio atravessa o cartucho 1, a massa específica do meio aplicará uma força ao cartucho como um resultado da força gravitacional. A magnitude da força aumenta proporcionalmente com a massa do meio dentro do cartucho 1. A força devido à gravidade que é aplicada ao cartucho 1 causa uma deflexão previsível, mensurável e proporcional do cartucho 1, em um eixo perpendicular ao eixo x, facilitando, portanto, a medição direta de massa do meio dentro do volume controlado do cartucho. Esta medição de massa é um dos dois fatores críticos ao determinar fluxo de massa. Tal como visto na figura 3, uma partícula deslocando através da tubulação causará uma deflexão no primeiro da pluralidade dos dispositivos sensores de deslocamento 2 e então prossegue na direção do segundo dos dispositivos sensores de deslocamento 2. Esta partícula formará uma parte integral de uma Assinatura de Processo exclusiva e específica (Assinatura RM) que é exclusiva para cada meio e condições de operação específicas. Uma pluralidade dos dispositivos sensores 2 pode ser colocada ao longo do comprimento do cartucho 1. Uma vez que a partícula não mudará significativamente em tamanho e massa entre a pluralidade de pontos devido aos pontos ficarem próximos uns dos outros, uma leitura similar será adquirida em cada dispositivo. Um processador 14 pode medir a mudança de fase na Assinatura de Processo e medir a mudança de tempo entre as Assinaturas de Processo. Esta mudança de fase representa o intervalo de tempo entre a pluralidade de dispositivos de medição, ou Δt - o segundo dos dois elementos críticos exigidos para determinar fluxo de massa. Usando uma equação de velocidade simples, a velocidade da partícula pode ser apurada. Leituras de temperatura, pressão e vibração são compensadas pelo processador 14 ao determinar independentemente o efeito de cada variável de processo na resposta da Assinatura RM. Uma vez que o algoritmo matemático que caracteriza o efeito de cada variável de processo seja determinado, estes efeitos são subtraídos do resultado final para produzir uma Assinatura RM que é associada somente com o meio fluindo através do cartucho 1. Temperatura pode afetar a rigidez do cartucho flexível 1. Pressão pode criar mudanças mínimas na forma, o que afeta a leitura de deslocamento, e vibração pode resultar em harmônicos que afetam a Assinatura RM. Todos os três são previsíveis, mensuráveis e repetíveis, e por esta razão podem ser caracterizados matematicamente e compensados de modo correspondente. Outras anomalias, tais como impacto externo ou o movimento de uma massa coagulada deslocando através do cartucho 1, também podem ser detectadas e isoladas dentro da Assinatura RM. Devido ao tempo de resposta do dispositivo, ação corretiva imediata pode ser executada para assegurar que estas perturbações ou massas coaguladas são excluídas ou ejetadas do fluxo de processo.

[052] A figura 4B ilustra uma outra modalidade do sistema medidor de fluxo. As figuras 1-4A ilustram modalidades onde o sistema medidor de fluxo tem dois dispositivos de medição de deslocamento 2 detectando deslocamento de um cartucho. Alternativamente, tal como ilustrado na figura 4B, o sistema medidor de fluxo pode incluir os dois cartuchos 1a e 1b, com um dispositivo de medição de deslocamento 2 diferente para cada um dos cartuchos 1. Os dois cartuchos 1a e 1b são separados pelo tubo de fluxo intermediário 3c. O sistema da figura 4B inclui o tubo de fluxo de entrada 3a fluindo meio para dentro do cartucho 1a e o tubo de fluxo de saída 3b fluindo meio para fora do cartucho 1b. O tubo de fluxo intermediário 3c flui meio do cartucho 1a para o cartucho 1b.

[053] Em um modo similar ao da modalidade das figuras 1-4A, na modalidade da figura 4B uma partícula deslocando através da tubulação causará uma deflexão no primeiro dos dispositivos sensores de deslocamento 2a, passa pelo tubo de fluxo intermediário 3c e então prossegue na direção do segundo dos dispositivos sensores de deslocamento 2b. Uma vez que a partícula não mudará significativamente em tamanho e peso entre os dois pontos devido aos pontos ficarem próximos um do outro, uma leitura similar será adquirida em ambos os dispositivos sensores 2a e 2b. Um processador 14 pode medir o tempo entre as leituras. Usando uma equação de velocidade simples, a velocidade da partícula pode ser apurada. Se a área seccional transversal do interior do tubo for conhecida ou medida, o fluxo de volume pode ser determinado. Com base na área seccional transversal e na velocidade de partícula, o fluxo pode ser determinado.

[054] A figura 4C é uma modalidade similar a essa da figura 4B, mas com um suporte 4 entre os cartuchos separados 1a e 1b.

[055] O sistema descrito anteriormente é configurado para determinar o fluxo de um meio passando pelo cartucho 1 com base no deslocamento medido pelos dispositivos sensores de deslocamento 2. Adicionalmente, ou de forma alternativa, o sistema pode determinar a densidade de massa ou gravidade específica do meio passando pelo cartucho 1 com base no deslocamento medido por um ou por ambos os dispositivos sensores de deslocamento 2. Tal como descrito anteriormente, o deslocamento pode ser transladado para uma força e um peso pode ser calculado com base na força. A densidade de massa pode então ser calculada com base no peso e em uma seção transversal conhecida ou medida ou volume dentro do cartucho 1.

Taxa de Fluxo de Massa

[056] As equações governantes empregadas na medição de taxa de fluxo de massa para processos convencionais são descritas a seguir.

[057] Considerar uma massa elementar dm fluindo por meio de um volume de controle, tendo uma área seccional transversal A perpendicular ao eixo do tubo, um volume dV, um comprimento dx e uma velocidade média estável V, a equação pode ser descrita tal como se segue: Taxa de fluxo de massa (m) pode ser definida tal como se segue: Portanto: Onde: m é a taxa de fluxo de massa (kg/s) V é a taxa de fluxo volumétrico (m3/s) p é a densidade [kg/m3] v é o volume específico [m3/kg] V é a velocidade (m/s) A é a área de fluxo [m2] Com relação a algumas modalidades apresentadas, a taxa de fluxo de massa pode ser alcançada diretamente por meio de medições físicas da massa dentro do volume controlado acopladas com o tempo transcorrido para a massa ou “plugue” deslocar por meio do volume controlado. A equação governante é simplesmente tal como se segue: .

[058] A figura 7 mostra uma saída das medições físicas diretas alcançadas assim de acordo algumas modalidades. Em particular, a figura 7 mostra a massa determinada como uma função do tempo. O aparelho produz uma assinatura de processo que é associada exclusivamente com o processo específico sendo analisado. O dispositivo sensor de deslocamento inicial registra a assinatura em relação à mudança em massa (Δm). Um dispositivo sensor de deslocamento subsequente registra a mesma assinatura em um tempo (Δt) após a medição inicial. Conhecendo a distância exata entre os dispositivos sensores de deslocamento, o movimento de massa versus o tempo transcorrido para deslocar entre uma pluralidade de pontos produz os dados físicos exigidos para medir precisamente a taxa de fluxo de massa (“ponto m”).

Monitoramento e Controle de Processo

[059] A figura 8 mostra a saída da medição física direta com a densidade do material derivada como uma função do tempo com base no aparelho 100 de acordo com algumas modalidades.

[060] O aparelho 100 produz uma assinatura de processo que é associada exclusivamente com o processo específico sendo analisado. Limites de controle superior e inferior baseados em desvio padrão ou na Medição de Capacidade de Processo (Cp e Cpk) podem ser calculados pelo usuário final para assegurar que o processo permaneça dentro de limites críticos específicos para garantir qualidade do produto sendo monitorado. O aparelho pode então ser empregado como um dispositivo de Controle de Processo Estatístico (SPC) para monitorar variação de processo. O aparelho pode ser empregado como um detector, monitor ou controlador de processo para o processo.

[061] Como um detector: o aparelho alerta o usuário final para qualquer situação que possa fazer com que o processo desvie do controle, tal como definido por limites de advertência estabelecidos pelo usuário final.

[062] Como um monitor: o aparelho fornece para o usuário final dados de variação de processo críticos e contínuos em tempo real. O usuário final pode empregar o aparelho para medir capacidade de processo (Cp, Cpk) antes de comissionar o aparelho como um monitor de processo. Alertas visuais para o usuário final permitirão que o operador execute ação corretiva imediata se o processo exigir atenção.

[063] Como um controlador de processo: o aparelho pode ser empregado em uma etapa (loop) fechada automatizada. Quando usado neste cenário, o aparelho pode alertar outros dispositivos controlados por computador para executar ação corretiva automaticamente e instantaneamente se uma questão relacionada ao processo for detectada.

Medição de Capacidade de Processo (Cp & Cpk)

[064] Cp e Cpk são consideradas medidas de capacidade de potencial de curto prazo para um processo e são medidas críticas associadas com Controle de Processo Estatístico (SPC). Em termos de Seis Sigma, elas descrevem qualidade de processos em termos de sigma que fornece um modo fácil para comparar a capacidade de processos diferentes usando uma estrutura matemática comum. Com relação à diferença entre Cp e Cpk, o ‘k’ representa um fator de centralização. O índice leva em consideração o fato de que os dados de processo podem não ser centralizados.

Aplicação de Exemplo

[065] O exposto a seguir é um exemplo de um processo no qual o aparelho 100 pode ser implementado. A figura 9 ilustra o layout de processo incluindo o aparelho 100, enquanto que um fluxograma de processo particular está mostrado na figura 10. O layout de processo na figura 9 inclui, além do aparelho 100, o primeiro silo 110 e o segundo silo 120. Um componente no primeiro silo 110 é fornecido para o aparelho 100 através do primeiro tubo 130, onde o componente então passa para a válvula de três vias 150. Um componente no segundo silo 120 é fornecido para a válvula de três vias 150 através do segundo tubo 140. A válvula de três vias 150, dependendo de como ela é acionada, permite que o meio passe do primeiro silo 110 ou do segundo silo 120 para uma saída, ou permite que o meio passe entre o primeiro silo 110 e o segundo silo 120.

[066] De acordo com algumas modalidades, o fluxo de processo compreende misturar e monitorar dois componentes de gravidades específicas diferentes para determinar se os dois componentes estão misturados de modo suficiente. O processo começa ao adicionar uma quantidade do Componente A ao primeiro Silo 110 na etapa (S1010). Uma fração do Componente B é adicionada progressivamente ao sistema em incrementos de 10% em peso até que 40% em peso do Componente B sejam adicionados. Inicialmente, 10% em peso do Componente B são adicionados ao primeiro Silo tal como na etapa (S1020). O primeiro Silo é pressurizado e a válvula de três vias 150 bloqueia a saída e permite transferência de material para o segundo Silo B120 na etapa (S1030). O aparelho 100 monitora a assinatura de processo e taxa de fluxo de massa da mistura na etapa (S1040) para assegurar que as razões de mistura sejam consistentes por todo o processo e que o peso correto de cada componente tenha sido adicionado. Na etapa (S1050) a densidade e número de transferência da mistura são registrados.

[067] A mistura pode ser transferida para frente e para trás entre os silos 110 e 120 até que o Aparelho 100 indique que o material está homogeneizado, e a massa de material passando pelo Aparelho 100 seja confirmada. Especificamente, é determinado se a densidade e homogeneidade estão ou não de maneira que a variância de mistura esteja dentro de limites de controle superior e inferior tal como na etapa (S1060). Se a variância de mistura não estiver dentro de limites de controle superior e inferior, o processo flui para a etapa (S1030). Se a variância de mistura estiver dentro de limites de controle superior e inferior, o processo flui para a etapa (S1070), onde é determinado se 40% do Componente B já foi alcançado. Se 40% não foi alcançado, o processo flui para a etapa (S1080) onde mais 10% do Componente B são adicionados à mistura no silo cheio, e então para a etapa (S1030) onde existe uma transferência da mistura do silo cheio para o silo vazio. O processo é repetido à medida que quantidades adicionais do Componente B sejam adicionadas até que a razão de mistura desejada seja alcançada. Quando o Aparelho 100 confirmar a massa total de material misturado, neste caso quando 40% do componente B estiverem misturados, e indicar que a variância de mistura está dentro dos limites de controle superior e inferior, a válvula de três vias 150 é posicionada para permitir que a mistura final seja evacuada do Silo cheio. O Aparelho 100 de novo conduz uma análise final do peso transferido e da homogeneidade à medida que a mistura é entregue para o próximo estágio do processo ou para a destinação de uso final tal como na etapa (S1090).

[068] De uma maneira geral, a descrição anterior deve ser considerada exemplar e ilustrativa. A presente invenção não está necessariamente limitada. Especialmente para os versados na técnica, deve ser considerado que modificações e adaptações adicionais para atenuar circunstâncias estarão incluídas no escopo desta invenção tal como mostrada e descrita.

Claims (15)

1. Sistema para medir continuamente o fluxo de um meio, caracterizado pelo fato de que compreende: a. Um ou mais cartuchos conectados em série ao longo do fluxo do meio entre um tubo de fluxo de entrada de meio e um tubo de fluxo de saída de meio; b. Um ou mais dispositivos sensores de deslocamento configurados para detectar mudanças de deslocamento do um ou mais cartuchos em dois ou mais pontos separados do um ou mais cartuchos quando o meio flui através do um ou mais cartuchos; c. Um processador configurado para calcular o fluxo do meio com base nas mudanças de deslocamento detectadas do um ou mais cartuchos nos dois ou mais pontos separados.

2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente pelo menos um dentre: um dispositivo sensor de temperatura, em que o processador é configurado para calcular o fluxo do meio com base também na temperatura medida no um ou mais cartuchos medida pelo dispositivo sensor de temperatura, um dispositivo sensor de pressão, em que o processador é configurado para calcular o fluxo do meio com base também na pressão medida no um ou mais cartuchos medida pelo dispositivo sensor de pressão, um dispositivo sensor de vibração, em que o processador é configurado para calcular o fluxo do meio enquanto compensa a vibração medida no um ou mais cartuchos pelo dispositivo sensor de vibração, ou um dispositivo sensor de impacto, em que o processador é configurado para calcular o fluxo do meio enquanto compensa o impacto medido no um ou mais cartuchos pelo dispositivo sensor de impacto.

3. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o processador é configurado para calcular a massa do meio no um ou mais cartuchos.

4. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o um ou mais dispositivos sensores de deslocamento compreendem pelo menos um dentre: um laser, um detector ótico, um detector acústico, um detector de deslocamento mecânico, um detector de deslocamento eletromecânico, ou um detector de deslocamento piezoelétrico.

5. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o cartucho é flexível, em que a flexibilidade do um ou mais cartuchos varia ao longo de seu comprimento para permitir deslocamento diferencial em várias seções do um ou mais cartuchos à medida que qualquer meio avança através do um ou mais cartuchos.

6. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dispositivo sensor de deslocamento não contacta fisicamente o um ou mais cartuchos.

7. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o processador é configurado para calcular pelo menos um dentre: uma velocidade de fluxo do meio com base nas mudanças de deslocamento detectadas do um ou mais cartuchos nos dois ou mais pontos separados, um fluxo de massa com base em parte em uma velocidade de fluxo e massa de material calculadas, ou o fluxo do meio com base no deslocamento em uma ou mais localizações alvo no um ou mais cartuchos.

8. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente uma ou mais colunas de suporte configuradas para suportar o um ou mais cartuchos em qualquer ponto ou pontos entre extremidades do um ou mais cartuchos.

9. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente vigas de suporte orientadas lateralmente em intervalos de espaçamento radial.

10. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o um ou mais cartuchos são configurados para ter um deslocamento linear vertical proporcional à massa do meio fluindo.

11. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o um ou mais cartuchos compreendem pelo menos um dentre: um revestimento resistente à abrasão ou à erosão, um revestimento resistente quimicamente ou resistente à corrosão, um revestimento resistente a risco microbiano ou biológico, um revestimento resistente a ambientes de temperaturas extremas, ou materiais fibrosos orgânicos ou inorgânicos embutidos.

12. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o processador é configurado para gerar pelo menos um dentre: uma Assinatura de Processo característica para as variações de processo de fluxo e de densidade de um meio com base no deslocamento nos dois ou mais pontos separados, alarmes de advertência e de ações de processo para variações de processo predefinidas de qualquer meio para facilitar Controle de Processo Estatístico, uma Assinatura de Processo característica para determinar o grau de mistura ou homogeneização de um meio de múltiplos componentes com base no deslocamento nos dois ou mais pontos separados, ou uma Assinatura de Processo característica para determinar o grau de mistura, pulverização, desfloculação ou refinamento de meio com base em uma Assinatura RM gerada pelo deslocamento no um ou mais pontos separados.

13. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o um ou mais cartuchos é uma pluralidade de cartuchos que compreende um primeiro cartucho e um segundo cartucho, em que o primeiro cartucho é conectado em série ao longo do fluxo do meio entre o tubo de fluxo de entrada de meio e um tubo intermediário de meio, em que o segundo cartucho é conectado em série ao longo do fluxo do meio entre o tubo intermediário de meio e o tubo de fluxo de saída de meio, em que o um ou mais dispositivos sensores de deslocamento é uma pluralidade de dispositivos sensores de deslocamento que compreende um primeiro dispositivo sensor de deslocamento e um segundo dispositivo sensor de deslocamento, em que o primeiro dispositivo sensor de deslocamento é configurado para detectar mudanças de deslocamento do primeiro cartucho quando o meio flui através do primeiro cartucho, em que o segundo dispositivo sensor de deslocamento é configurado para detectar mudanças de deslocamento do segundo cartucho quando o meio flui através do segundo cartucho.

14. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda: uma base configurada para fornecer estabilidade para o um ou mais dispositivos sensores de deslocamento; um dispositivo sensor de pressão; um dispositivo sensor de temperatura; um dispositivo sensor de vibração; um dispositivo sensor de impacto; e uma ou mais vigas de suporte configuradas para suportar o tubo de fluxo de entrada e o tubo de fluxo de saída. em que o processador configurado para calcular o fluxo do meio com base em deslocamentos medidos no um ou mais cartuchos assim como em variações em temperatura ou pressão.

15. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o tubo de fluxo de entrada e o tubo de fluxo de saída são conectados à entrada e à saída do um ou mais cartuchos por meio de flanges ou acoplamentos.