BR112020018151A2

BR112020018151A2 - cápsula sensor para um sensor de fluxo de calor, método para medir uma temperatura de um fluido de processo, conjunto de medição de temperatura, e, sensor de temperatura

Info

Publication number: BR112020018151A2
Application number: BR112020018151-0A
Authority: BR
Inventors: Jason H. Rud
Original assignee: Rosemount Inc.
Priority date: 2018-03-07
Filing date: 2019-02-22
Publication date: 2021-02-02
Also published as: EP3762695A4; AU2019232685B2; RU2757064C1; WO2019173066A1; JP7162668B2; EP3762695B1; CN110243487A; CA3093432C; CN208297003U; CA3093432A1; EP3762695A1; JP2021515235A; US20190277711A1; US10976204B2; AU2019232685A1

Abstract

  CÁPSULA SENSOR PARA UM SENSOR DE FLUXO DE CALOR, MÉTODO PARA MEDIR UMA TEMPERATURA DE UM FLUIDO DE PROCESSO, CONJUNTO DE MEDIÇÃO DE TEMPERATURA, E, SENSOR DE TEMPERATURA. Uma cápsula sensor (300) para um sensor de fluxo de calor inclui uma extremidade quente (304) e uma extremidade fria (302). A cápsula sensor (300) inclui um condutor térmico (310) que se estende a partir da extremidade quente (304) em direção à extremidade fria (302), e uma pluralidade de sensores de temperatura (312, 354) acoplados ao condutor térmico (310) em distâncias diferentes da extremidade quente (304).

Description

1 / 14 CÁPSULA SENSOR PARA UM SENSOR DE FLUXO DE CALOR,

MÉTODO PARA MEDIR UMA TEMPERATURA DE UM FLUIDO DE PROCESSO, CONJUNTO DE MEDIÇÃO DE TEMPERATURA, E, SENSOR DE TEMPERATURA FUNDAMENTOS

[001] Existem muitas aplicações industriais onde o conhecimento das medições de temperatura e fluxo de calor é importante para controlar ou monitorar o processo. Um sensor de fluxo de calor é um instrumento conhecido que permite medir o fluxo de calor entre materiais.

SUMÁRIO

[002] Uma cápsula sensor para um sensor de fluxo de calor inclui uma extremidade quente e uma extremidade fria. A cápsula sensor inclui um condutor térmico que se estende a partir da extremidade quente em direção à extremidade fria, e uma pluralidade de sensores de temperatura acoplados ao condutor térmico em distâncias diferentes da extremidade quente.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[003] A figura 1 é uma vista diagramática de um conjunto de medição de temperatura de acordo com uma modalidade da presente invenção.

[004] As figuras 2A e 2B ilustram vistas diagramáticas de um conjunto de medição de uma película de tubo com o qual modalidades da presente invenção são particularmente úteis.

[005] As figuras 3A a 3C ilustram configurações de sensor de exemplo de acordo com algumas modalidades da presente invenção.

[006] A figura 4 ilustra uma configuração de conduta de exemplo de acordo com uma modalidade da presente invenção.

[007] A figura 5 é um fluxograma de um método para prover uma indicação de temperatura de um fluido de processo usando sensores acoplados a um condutor térmico de transferência de calor de acordo com uma

2 / 14 modalidade da presente invenção.

[008] A figura 6 é um diagrama em bloco de componentes eletrônicos do dispositivo de acordo com uma modalidade da presente invenção.

[009] As figuras 7A a 7C ilustram configurações de sensor de exemplo de acordo com algumas modalidades da presente invenção.

[0010] A figura 8 ilustra distribuições de temperatura de exemplo para diferentes configurações de sensor de acordo com algumas modalidades da presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES ILUSTRATIVAS

[0011] Existem várias aplicações onde as medições do fluxo de calor proveem uma maneira melhor de medir a temperatura do processo. Por exemplo, a tecnologia Rosemount X-WellTM, disponível por Emerson Automation Solutions pode ser usada para medir a temperatura de processo de uma maneira não intrusiva ou não invasiva. Essa tecnologia usa uma medição de temperatura de superfície do tubo, medição de temperatura do terminal de transmissor e um cálculo de fluxo de calor para inferir uma temperatura do fluido de processo interno em um conduto. Um termopoço é tipicamente instalado em um conduto de processo de modo que se estenda cerca de 10 vezes o diâmetro da ponta do termopoço. Isso é usado para minimizar os efeitos da etapa de condução da temperatura ambiente. Um termopoço “curto” tem um comprimento que é menos do que dez vezes o diâmetro da ponta do termopoço. Sensores de temperatura dentro de termopoços curtos são suscetíveis a erros significativos através da condução de temperatura da haste, no entanto, com flutuações de temperatura ambiente e diferenciais de temperatura do processo, conforme as temperaturas ambiente e de processo crescem em divergência. Um sensor de fluxo de calor pode resolver essas questões, mas a colocação do elemento é importante para garantir um desempenho adequado e prover uma compreensão adequada do fluxo de

3 / 14 calor.

[0012] A figura 1 é uma vista diagramática de um conjunto de medição de temperatura de acordo com uma modalidade da presente invenção. O conjunto 100 inclui um conjunto de sensor 130 acoplado a uma parede de vaso do processo 110. O acoplamento pode ser um grampo de tubo 120, como ilustrado na Figura 1. O conjunto de sensor 130 pode ter uma ou mais condutas 150 se estendendo para um transmissor 140, que pode ser conectado localmente ao ou remotamente a partir do conjunto de sensor 130. O transmissor 140 pode ser configurado para realizar um cálculo de fluxo de calor.

[0013] O transmissor 140, usando sinais de sensor do conjunto de sensor 130, computa um cálculo de fluxo de calor para inferir a temperatura do processo interno em um conduto. No entanto, esse cálculo depende do conhecimento da condutividade térmica do processo até os terminais do transmissor, geralmente exigindo que o sensor seja conectado diretamente ao transmissor. Além disso, em algumas modalidades, o fluxo de calor também pode ser medido remotamente.

[0014] As figuras 2A e 2B ilustram vistas diagramáticas de um conjunto de medição de uma película de tubo com o qual modalidades da presente invenção são particularmente úteis. O conjunto inclui um tubo 210, acoplado a um sensor 220 por meio do uso de um grampo de tubo 212. O sensor 220 está diretamente acoplado a um transmissor 222. O transmissor 222 pode ser configurado para calcular um fluxo de calor com base nos sinais recebidos do sensor 220.

[0015] A figura 2B ilustra uma vista de perto 250 de um acoplamento entre um tubo 210 e uma cápsula sensor 260. A cápsula sensor 260 inclui condutas 262, configuradas para se acoplarem a um transmissor, por exemplo. A figura 2B ilustra porque a colocação do elemento sensor 270 é importante para a precisão da medição. A cápsula sensor 260, ilustrada na vista 250,

4 / 14 inclui um elemento de Detector de Temperatura de Resistência (RTD) 270 dentro da cápsula sensor 260, disposto adjacente à superfície do tubo 210. Durante a montagem, o elemento sensor 270 é colocado dentro de uma camada de pasta térmica 280. A colocação do elemento, ou distância 252 entre o tubo 210 e o elemento 270, é difícil de controlar devido às limitações de fabricação. A pasta térmica 280 auxilia na transferência de calor do tubo 210 para o elemento sensor 270. No entanto, a pasta térmica 280 não tem condutividade térmica ideal, mas pode ser melhor do que ar ou o pó com isolante mineral. Conforme ilustrado na vista 250, o calor é distribuído através da bainha externa da cápsula sensor 260 e da pasta térmica 280, de modo que apenas uma parte do calor é transferida para o elemento 270. Com baixa condutividade térmica, a colocação do elemento 270 é um parâmetro sensível ao gerar especificações de medição. As variações e a colocação do elemento 270 podem afetar a precisão, a resposta temporal e a repetibilidade das medições.

[0016] Deseja-se desenvolver um sensor de fluxo de calor que mede usando um único transmissor de entrada do sensor. Vários pontos de medição incorporados em um sensor podem exigir mais de um transmissor ou um dispositivo de alta densidade, por exemplo, um 848T Fieldbus ou produto Wireless HART®, disponibilizados por Emerson Automation Solutions.

[0017] Como descrito em mais detalhes abaixo, algumas modalidades da presente invenção proveem uma haste termicamente condutora, afixada a uma tampa de extremidade de um sensor de fluxo de calor, que provê uma maneira melhorada de direcionar o fluxo de calor da extremidade quente da cápsula sensor para a extremidade fria. Essa configuração pode auxiliar na geração de um gradiente de temperatura através dos elementos quente e frio. Isso reduz a sensibilidade de espaçamento entre os elementos e aprimora um tempo de resposta em ambas as extremidades quente e fria. Isso permite uma repetibilidade e precisão da medição do sensor aprimoradas.

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[0018] Um condutor térmico provê uma boa correlação entre elementos de sensor de temperatura afixados. Se qualquer porção de um condutor térmico for impactada por uma influência externa, por exemplo, temperatura ambiente, todos os elementos medem uma porção do efeito. Em uma modalidade discutida abaixo, três elementos sensíveis à temperatura podem ser colocados no elemento termicamente condutor, permitindo um fator de correção de segunda ordem, que pode ser útil, de preferência se o sensor de fluxo de calor for montado horizontalmente sem isolamento. Todos os elementos podem ser medidos com um transmissor de temperatura único ou duplo. Em um tal cenário, o conjunto de sensor pode experimentar uma perda de calor não linear. O condutor térmico é formado de um material com uma condutividade térmica relativamente alta, tal como metal (por exemplo, cobre, alumínio, ferro, etc.) ou um polímero adequado. O condutor térmico pode ter qualquer seção transversal adequada (incluindo circular) e pode variar ao longo de seu comprimento. Em uma modalidade, o condutor térmico é uma haste.

[0019] As figuras 3A a 3C ilustram configurações de sensor de exemplo de acordo com algumas modalidades da presente invenção. As figuras 3A a 3C ilustram três variantes de um condutor térmico termicamente condutivo no centro de uma cápsula sensor. No entanto, enquanto apenas três variantes são discutidas detalhadamente, outras configurações adequadas também são previstas. No exemplo ilustrado, o condutor térmico é formado de cobre, que exibe condutividade térmica extremamente boa, o que permite que a temperatura seja equilibrada entre a extremidade quente e a extremidade fria muito mais rápido do que em uma cápsula sensor padrão, que exigiria um isolante tal como um pó com isolante mineral. O cobre também é um material usado em termopares Tipo T como sua conduta negativa. Conectar as condutas positivas do termopar tipo T ao condutor térmico de cobre permitirá um dispositivo de entrada de medição de alta impedância, por exemplo,

6 / 14 qualquer transmissor adequado, como o transmissor 644 ou 3144 disponível na Emerson Automation Solutions, a medir todos os três termopares usando uma configuração de conduta de seis fios. Em outro exemplo, um transmissor, como o transmissor 248 disponível na Emerson Automation Solutions, pode medir os termopares usando uma configuração de conduta de quatro fios.

[0020] A figura 3A ilustra uma configuração escalonada de termopar com três fios de termopar afixados a um condutor térmico de cobre, localizado dentro da cápsula sensor, em diferentes posições, de acordo com uma modalidade. Em uma modalidade, o condutor térmico de cobre está centrado dentro da cápsula sensor 300. No entanto, outras posições internas e geometrias também são previstas. A cápsula sensor 300 inclui a extremidade quente 304 espaçada da extremidade fria 302, com o condutor térmico 310 se estendendo entre as mesmas. A extremidade fria 302 inclui algum composto de encapsulação 320. Encapsulação compreende, por exemplo, qualquer composto sólido ou gelatinoso adequado configurado para resistir choque, vibração e/ou para excluir umidade ou agentes corrosivos. O condutor térmico 310 pode também servir como uma conduta negativa em uma modalidade em que o material do condutor térmico corresponde um tipo de termopar usado para os elementos sensíveis à temperatura (por exemplo, haste de cópia e termopar Tipo T). Os fios 322 se estendem através da encapsulação 320 e se acoplam ao condutor térmico 310 em vários comprimentos para formar vários termopares ao longo do condutor térmico 310, a fim de permitir que um fator de correção de segunda ordem seja calculado.

[0021] A figura 3B ilustra uma modalidade usando um termopar escalonado com compensação de RTD, de acordo com uma modalidade. Um sensor RTD 312 é colocado perto da extremidade quente 334 e está diretamente acoplado ao condutor térmico 340 para transferência de calor. Como o elemento RTD 312 é um sensor de temperatura mais estável e preciso do que um termopar, ele pode prover precisão aprimorada. O termopar 354

7 / 14 pode ser útil para avaliação de gradiente do fluxo de calor. As medições do termopar 354 podem ser avaliadas em cada ponto do termopar ou diferencialmente entre os termopares 354 para determinar um gradiente de temperatura. Conforme ilustrado na figura 3B, fios adicionais podem ser incluídos, por exemplo, os três fios ilustrados na figura 3A, com uma configuração de RTD de três fios associada ao elemento RTD 312 e um condutor térmico de extensão de fio 340.

[0022] A figura 3C ilustra uma modalidade usando uma configuração de RTD escalonada. A configuração de RTD escalonada ilustra três elementos de RTD 372 afixados ao condutor térmico 370. Os elementos RTD 372 são úteis para avaliação de precisão e fluxo de calor. Usando a cápsula sensor 360, uma abordagem de medição pode usar um produto de sensor duplo para medir todos os três elementos usando uma configuração de conduta de seis fios 382. Compartilhando as condutas, cada um dos RTDs 372 pode ser medido usando uma técnica de quatro fios. Outras variantes de fiação também são contempladas. Além disso, conforme ilustrado na figura 3C, um fio adicional 386 pode opcionalmente prover uma conexão térmica do condutor térmico 370 para uma fonte de medição de temperatura ambiente.

[0023] A figura 4 ilustra uma configuração de conduta de exemplo de acordo com uma modalidade da presente invenção. Conforme ilustrado na figura 4, a configuração da conduta 400 inclui três elementos RTD, 410, 420 e 430, acoplados em uma configuração de seis fios, ilustrada como fios 442 a 454, respectivamente. Uma medição pode ser obtida a partir de RTD 410, gerando uma corrente de excitação entre os fios 444 e 446 e medindo uma queda de tensão entre os fios 442 e 448. Uma medição pode ser obtida a partir do RTD 420, gerando uma corrente de excitação entre os fios 446 e 448 e medindo uma tensão correspondente entre os fios 444 e 452. Uma medição pode ser obtida do RTD 430, gerando uma corrente de excitação entre os fios 448 e 452 e medindo uma queda de tensão correspondente entre os fios 446 e

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454.

[0024] A figura 5 é um fluxograma de um método para prover uma indicação de temperatura de um fluido de processo usando sensores acoplados a um condutor térmico de transferência de calor de acordo com uma modalidade da presente invenção. O método 500 pode ser utilizado com qualquer uma das modalidades ilustradas nas figuras 3A a 3C, por exemplo, assim como outro fluxo de calor configurado apropriadamente ou sensores de transferência de calor.

[0025] No bloco 510, os sinais do sensor são recebidos. Por exemplo, o sinal do sensor pode ser recebido de termopares escalonados acoplados a uma haste termicamente condutora, como aquela mostrada na figura 3A, conforme indicado no bloco 512. Os sinais do sensor também podem ser recebidos de um termopar de compensação RTD, conforme indicado no bloco

514. Além disso, os sinais do sensor podem ser recebidos de vários elementos RTD dentro de uma única cápsula sensor, conforme indicado no bloco 516. Outras configurações apropriadas também são previstas, conforme indicado no bloco 518.

[0026] No bloco 520, uma transferência de calor, um fluxo de calor ou outra quantidade relacionada à transferência de calor, como uma razão de leituras do sensor, é calculada. O fluxo de calor pode ser computado usando um transmissor, por exemplo, como o transmissor 140 acoplado localmente ou remotamente ao sensor de transferência de calor, como indicado pelos blocos 522 e 524, respectivamente. Além disso, a transferência de calor também pode ser calculada usando outras técnicas de computação conhecidas, conforme indicado no bloco 526.

[0027] Por exemplo, o fluxo de calor pode ser calculado usando a equação 1 abaixo:

[0028] Onde Q/A é o fluxo de calor (transferência de calor por

9 / 14 unidade de área), K é a condutividade térmica do material do medidor, ΔT é a mudança na temperatura medida entre dois termopares e L é o comprimento entre os termopares.

[0029] No bloco 530, a transferência de calor computada é corrigida. Em algumas configurações de processo, uma correção linear está disponível, conforme indicado no bloco 532. No entanto, como discutido aqui, especialmente em cenários onde o isolamento não é aconselhável, uma correção de segundo grau é utilizada, conforme indicado no bloco 534. No entanto, outros fatores de correção, conforme indicado no bloco 536, também são previstos. Por exemplo, um transmissor pode receber informações sobre a temperatura ambiente atual e corrigir de acordo. No bloco 540, uma temperatura de fluido de processo é estimada com base na transferência de calor calculada. Em algumas modalidades, uma transferência de calor corrigida ou valor de fluxo de calor (transferência de calor por unidade de área) também é calculada.

[0030] Em algumas modalidades, computar a transferência de calor, como ilustrado no bloco 520, e corrigir a transferência de calor, como indicado no bloco 530, compreende uma única etapa de correção de razão dos múltiplos sensores, que é realizada sem uma medição direta da transferência de calor.

[0031] No bloco 550, uma indicação da temperatura do fluido de processo é provida. A indicação pode incluir um status de um processo, como “superaquecimento” ou “dentro de uma faixa aceitável”, por exemplo. Além disso, uma indicação numérica de temperatura também pode ser provida, em graus Fahrenheit, Celsius ou Kelvin, por exemplo. Uma indicação também pode ser provida na forma de um alerta sonoro ou visual, como indicado no bloco 552, por exemplo, uma luz piscando para uma temperatura acima ou abaixo de uma faixa desejada, ou saída audível. A indicação também pode ser provida a um dispositivo de computação separado, que pode ser próximo ou

10 / 14 remoto do sensor de temperatura. A provisão de uma indicação também pode incluir a exibição de uma temperatura próxima ao ponto de medição ao longo do fluxo de processo, por exemplo, uma tela ou um mecanismo de alerta audiovisual acoplado ao sensor, ou através de outro mecanismo, como indicado no bloco 558.

[0032] A provisão de uma indicação também pode incluir o armazenamento da temperatura medida, conforme indicado no bloco 556. Armazenar algumas ou todas as temperaturas de processo detectadas, ou sinais de sensor, pode permitir a geração de análises adicionais, como tendências dentro de um fluxo de processo ao longo do tempo. O armazenamento da indicação provida pode incluir o armazenamento local, por exemplo, dentro de uma memória de um medidor de microvolts, ou armazenamento remoto, por exemplo, o envio da temperatura detectada para um meio de armazenamento remoto.

[0033] A figura 6 é um diagrama em bloco de componentes eletrônicos do dispositivo de acordo com uma modalidade da presente invenção. Os componentes eletrônicos 600 podem ser alojados dentro do alojamento de componentes eletrônicos 614. O alojamento de componentes eletrônicos 614 pode estar associado a um transmissor, por exemplo, o transmissor 140 da figura 1. Além disso, pelo menos alguns dos componentes eletrônicos 600 podem fazer parte de um conjunto de sensor, como os sensores descritos aqui. Os componentes eletrônicos 600, em uma modalidade, incluem um processador 650, um ou mais conversores analógico- digital (AD) 654 e memória 656. O processador 650 pode ser um microprocessador digital. A memória 656 pode incluir um dispositivo de armazenamento de dados digital eletronicamente acoplado ao processador

650. Os componentes eletrônicos 600 podem ser acessíveis localmente por meio de uma interface de operador local 666 que pode, por exemplo, exibir uma temperatura ou status do dispositivo.

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[0034] O processador 650 está conectado a sensores de temperatura, por exemplo, os sensores discutidos aqui, por um acoplamento entre um conversor A/D 654 e mais uma conduta de sensor 642. Em modalidades onde vários sensores RTD estão presentes, vários conversores A/D podem ser necessários, de modo que eles possam converter o sinal elétrico analógico de um dispositivo de detecção em um sinal digital para o processador 650.

[0035] Em uma modalidade, o alojamento de componentes eletrônicos 614 também pode incluir interface de comunicações 658. A interface de comunicações 658 provê comunicação entre os componentes eletrônicos 600 e o sistema de controle ou monitoramento 662. Os componentes eletrônicos 600 podem transmitir uma temperatura calculada de um fluido de processo dentro de um processo para um sistema de controle

662. A comunicação entre o conjunto de medição de temperatura 600 e o sistema de controle 662 pode ser por meio de qualquer conexão sem fio ou cabeada adequada. Por exemplo, a comunicação pode ser representada por uma corrente analógica em um anel de dois fios que varia de 4 a 20 mA. Alternativamente, a comunicação pode ser transmitida em um formato digital por um anel de dois fios usando o protocolo digital HART® ou por um barramento de comunicação usando um protocolo digital, como FOUNDATION ™ Fieldbus.

[0036] A interface de comunicação 658 pode incluir opcionalmente conjuntos de circuitos de comunicação sem fio 664 para comunicação por transmissão sem fio usando um protocolo sem fio, como WirelessHART (IEC62591). Além disso, a comunicação com o sistema de monitoramento de controlador 662 pode ser direta ou através de uma rede de qualquer número de dispositivos intermediários, por exemplo, uma rede de malha sem fio (não mostrada na figura 6). A interface de comunicação 658 pode ajudar a gerenciar e controlar a comunicação de e para o conjunto de medição de temperatura 600. Por exemplo, o sistema de controle ou medição 662 pode

12 / 14 prover configuração do conjunto de medição de temperatura 600, incluindo inserir ou selecionar parâmetros de estrutura de base, parâmetros de parede de vaso de processo ou selecionar um modelo de transferência de calor para uma aplicação particular, por meio de interface de comunicação 658.

[0037] Embora os sensores de transferência de calor discutidos acima em relação às figuras 3A-C representem aprimoramentos em relação aos sensores anteriores, a colocação do elemento ainda pode ser problemática. A haste termicamente condutora (por exemplo, haste 310) se estende entre a extremidade quente (por exemplo, tampa da extremidade 304) e a extremidade fria (por exemplo, extremidade fria 302). Este posicionamento permite um fluxo de calor aprimorado através do conjunto, permitindo que o elemento seja medido em posições fixas predeterminadas. Como a haste se conecta a ambas as extremidades e tem uma condutividade térmica uniforme, o ideal é que ela exiba uma distribuição linear de temperatura em relação à mudança de temperatura versus distância da extremidade quente. Isso deve permitir uma sensibilidade substancialmente uniforme (por exemplo, em °C/mm) em todo o comprimento da haste. Por exemplo, um elemento colocado em um ponto médio do sensor deve ser a média das temperaturas quentes e frias. Assim, se a extremidade quente for 300°C e a extremidade fria for 20°C, e o comprimento do sensor for 140 mm, a sensibilidade será aproximadamente 2°C/mm. No entanto, em alguns casos, a sensibilidade é significativa, pois algumas limitações do processo de fabricação permitem uma tolerância de ± 1 mm ao conectar as junções dos elementos.

[0038] As figuras 7A a 7C ilustram configurações de sensor de exemplo de acordo com algumas modalidades da presente invenção. As configurações do sensor das figuras 7A a 7C podem prover maior sensibilidade.

[0039] A figura 7A ilustra um curto condutor térmico na forma de uma haste termicamente condutora 710 com dois elementos RTD 712, 717

13 / 14 acoplados ao mesmo, fixados à tampa da extremidade 704. Embora a haste 710 seja ilustrada como colocada no centro da cápsula sensor 700, em pelo menos algumas modalidades ela pode ser espaçada do centro enquanto ainda mantém a integridade da medição. Enquanto dois elementos RTD 712, 717 são mostrados, elementos adicionais podem ser adicionados para aumentar a linearização. Os elementos RTD 712, 717 proveem sinais que permitem a medição de uma diferença de temperatura que ajuda a prover uma saída de estimativa de temperatura de fluido de processo precisa. Em uma modalidade, o pó com isolante mineral enche a cápsula sensor 700, através da qual os fios 722 se estendem. Os fios 722 agem como um segundo material, afixando a haste 710 à extremidade fria 702 e impedirão o fluxo de calor de prover uma distribuição de temperatura mais controlada, sensível e linear ao longo da haste 710.

[0040] A extremidade fria 702 inclui algum composto de encapsulação 720. Encapsulação compreende, por exemplo, qualquer composto sólido ou gelatinoso adequado configurado para resistir choque, vibração e/ou para excluir umidade ou agentes corrosivos.

[0041] A figura 7B ilustra uma modalidade usando termopares em vez de elementos RTD. As junções de termopar 754, 756 acoplam-se à haste condutora 740 em diferentes distâncias da extremidade quente 734. A cápsula sensor 730 inclui a encapsulação 750 na extremidade fria 732, e pode incluir pó com isolante mineral, através da qual os fios 752 se estendem.

[0042] A figura 7C ilustra outra modalidade usando uma haste condutora 770 adicional acoplada à primeira haste condutora 772. A segunda haste condutora 770 acopla-se à primeira haste condutora 772 em um primeiro lado e se estende para a encapsulação 780 dentro da extremidade fria

762. Conforme ilustrado na figura 7C, os fios 782 se estendem através da cápsula sensor 760 e se acoplam aos termopares 774, 776 na primeira haste condutora 772.

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[0043] A figura 8 ilustra distribuições de temperatura de exemplo para diferentes configurações de sensor de acordo com algumas modalidades da presente invenção. Conforme ilustrado, o gráfico 800 apresenta uma distribuição ideal de temperatura 804 ao longo de uma distância da ponta do sensor 802. O gráfico 800 ilustra a distribuição de temperatura de um sensor usando uma haste de material único 820, tal como as descritas acima em relação às figuras 3A a 3C, em oposição a uma haste de vários materiais 810 que usa mais de um material para transferência de calor. No exemplo da figura 8, uma haste de vários materiais foi criada usando uma haste de cobre de 30 mm de comprimento que se estende da extremidade quente, fixada a uma haste de ferro que se estende até a extremidade fria. Isso permitiu um gradiente de temperatura minimizado na seção de cobre da haste. No entanto, enquanto cobre e ferro são discutidos como materiais de exemplo, deve ser entendido que outros materiais com propriedades condutivas de calor adequadas.

[0044] Embora a presente invenção tenha sido descrita com referência a modalidades preferidas, os versados na técnica reconhecerão que mudanças podem ser feitas na forma e nos detalhes sem se afastar do espírito e escopo da invenção.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Cápsula sensor para um sensor de fluxo de calor, caracterizada pelo fato de que compreende: uma extremidade quente do sensor de fluxo de calor; uma extremidade fria do sensor de fluxo de calor; um condutor térmico que se estende da extremidade quente em direção à extremidade fria; e uma pluralidade de sensores de temperatura acoplados ao condutor térmico em distâncias diferentes da extremidade quente.

2. Cápsula sensor de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a extremidade fria inclui encapsulação.

3. Cápsula sensor de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o condutor térmico é formado de metal.

4. Cápsula sensor de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que o condutor térmico é formado de cobre.

5. Cápsula sensor de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que o condutor térmico é formado de alumínio.

6. Cápsula sensor de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que o condutor térmico é formado de ferro.

7. Cápsula sensor de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que os sensores de temperatura são termopares.

8. Cápsula sensor de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que os sensores de temperatura são termopares Tipo T.

9. Cápsula sensor de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende adicionalmente um elemento RTD disposto adjacente à extremidade quente.

10. Cápsula sensor de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato de que o elemento RTD está acoplado diretamente ao condutor térmico.

11. Cápsula sensor de acordo com a reivindicação 10, caracterizada pelo fato de que múltiplos elementos RTD estão acoplados ao condutor térmico, e em que cada dos múltiplos elementos RTD está acoplado a uma distância da extremidade fria, em que a distância é única daquela de outros múltiplos elementos RTD.

12. Cápsula sensor de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o condutor térmico compreende pelo menos duas junções de termopar espaçadas ao longo de um comprimento do condutor térmico.

13. Cápsula sensor de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o condutor térmico está termicamente acoplado a uma fonte, em que a fonte compreende uma temperatura ambiente.

14. Cápsula sensor de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o condutor térmico se estende ao longo da distância entre a extremidade quente e a extremidade fria.

15. Método para medir uma temperatura de um fluido de processo, caracterizado pelo fato de que compreende: receber um sinal de sensor de um sensor de transferência de calor, em que o sensor de transferência de calor compreende um condutor térmico que se estende a partir de uma extremidade quente do sensor de transferência de calor em direção a uma extremidade fria do sensor de transferência de calor, e em que o sinal de sensor compreende uma séria de medições feitas ao longo do condutor térmico central; computar, usando um componente de processamento, uma transferência de calor com base no sinal de sensor recebido; e estimar a temperatura do fluido de processo com base na transferência de calor computada.

16. Método de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente:

prover uma indicação da temperatura do fluido de processo estimada através do conjunto de circuitos de comunicação sem fio.

17. Método de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que a indicação compreende um alerta.

18. Método de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: armazenar a medição da temperatura do fluido de processo estimada em um componente de memória.

19. Método de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o sensor de transferência de calor compreende um sensor de termopar escalonado de modo que cada medição na série de medições é feita em um ponto ao longo do comprimento do condutor térmico.

20. Método de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o sensor de transferência de calor compreende um elemento RTD.

21. Método de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de que o elemento RTD está diretamente acoplado ao condutor térmico central.

22. Método de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que computar a transferência de calor correta compreende aplicar uma correção de múltiplas ordens.

23. Método de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o condutor térmico se estende entre a extremidade quente e a extremidade fria do sensor de transferência de calor.

24. Conjunto de medição de temperatura para um fluido de processo, o conjunto caracterizado pelo fato de que compreende: um transmissor; um sensor de temperatura acoplado ao transmissor e também configurado para se acoplar a um tubo contendo o fluido de processo, o sensor de temperatura compreendendo: uma extremidade quente do sensor de temperatura; uma extremidade fria do sensor de temperatura; um condutor térmico que se estende da extremidade quente em direção à extremidade fria; e uma série de condutas, acopladas ao transmissor, e configuradas para cada atravessar a extremidade fria e se acoplar a uma junção de termopar no condutor térmico; e em que o acoplamento entre o sensor de temperatura e o tubo é tal que uma extremidade quente diretamente se acopla ao tubo.

25. Conjunto de medição de temperatura de acordo com a reivindicação 24, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: um grampo de tubo configurado para acoplar o sensor de temperatura ao tubo.

26. Conjunto de medição de temperatura de acordo com a reivindicação 24, caracterizado pelo fato de que o condutor térmico se estende da extremidade quente para a extremidade fria.

27. Sensor de temperatura para sensorear uma temperatura externa de um conduto e prover uma estimativa de uma temperatura de um fluido de processo dentro do conduto, o sensor de temperatura caracterizado pelo fato de que compreende: uma cápsula sensor incluindo: uma extremidade quente configurada para ser acoplada ao conduto; uma extremidade fria espaçada da extremidade quente; um condutor térmico que se estende da extremidade quente em direção à extremidade fria; uma pluralidade de sensores de temperatura acoplados ao condutor térmico em distâncias diferentes da extremidade quente; e um conjunto de circuitos acoplado à pluralidade de sensores de temperatura e configurado para aplicar um cálculo de transferência de calor para gerar a estimativa da temperatura do fluido de processo dentro do conduto.