BR112021005947A2

BR112021005947A2 - sistema para medir pressão, e, método para calibrar um sistema para medir pressão

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Publication number: BR112021005947A2
Application number: BR112021005947-4A
Authority: BR
Inventors: Charles R. Willcox
Original assignee: Rosemount Inc.
Priority date: 2018-09-28
Filing date: 2019-09-24
Publication date: 2021-06-29
Also published as: US20200103260A1; WO2020068781A1; CA3114360C; RU2769409C1; AU2019346534A1; CN110967138A; JP2022501605A; JP7111895B2; AU2019346534B2; EP3857195A4; CN211373907U; EP3857195A1; US11209296B2; CA3114360A1

Abstract

Um sistema para medir pressão de fluido de processo de maneira não intrusiva dentro de um conduíte de fluido de processo (202) é provido. O sistema inclui um suporte de medição (200) configurado para se acoplar a uma superfície externa do conduíte de fluido de processo (202). O suporte de medição gera uma lacuna variável com base na deformação do conduíte de fluido de processo (202) em resposta à pressão de fluido de processo no mesmo. Um sistema de medição de lacuna (220, 260, 262) é acoplado ao suporte de medição (200) e provê um sinal elétrico com base em uma medição da lacuna variável. Um controlador (216) é acoplado ao sistema de medição de lacuna (220, 260, 262) e é configurado para calcular e prover uma saída de pressão de fluido de processo com base no sinal elétrico e nas informações relacionadas ao conduíte de fluido de processo (202).

Description

1 / 16 SISTEMA PARA MEDIR PRESSÃO, E, MÉTODO PARA CALIBRAR UM

SISTEMA PARA MEDIR PRESSÃO FUNDAMENTOS

[001] Muitos processos industriais transportam fluidos de processo através de tubos ou outros conduites. Esses fluidos de processo podem incluir líquidos, gases e, às vezes, sólidos arrastados. Esses fluxos de fluido de processo podem ser encontrados em uma variedade de indústrias, incluindo sem limitação, fabricação de alimentos e bebidas higiênicas, tratamento de água, fabricação de produtos farmacêuticos de alta pureza, processamento químico, indústria de combustível hidrocarbônico, incluindo extração e processamento de hidrocarbonetos bem como técnicas de fraturamento hidráulico que utilizam pastas abrasivas e corrosivas.

[002] Os processos industriais são usados na fabricação e transporte de muitos tipos de materiais, conforme estabelecidos acima. Em tais sistemas, muitas vezes é útil medir a pressão do fluido de processo usando um sensor de pressão que normalmente está contido em, ou acoplado a, um sensor de pressão de fluido de processo que está eletricamente acoplado a ou é parte de um transmissor de pressão de fluido de processo que transmite informações relacionadas a pressão a um ou mais dispositivos remotos, como uma sala de controle. A transmissão é frequentemente através de uma malha de controle de processo.

[003] Na medição da pressão do fluido de processo, é relativamente comum acoplar de maneira eficaz um sensor de pressão ao fluido de processo usando uma abertura ou intrusão em um conduíte de fluido de processo. Em muitos casos, um diafragma de isolamento é colocado em contato direto com o fluido de processo e se flexiona em resposta à pressão do fluido de processo. Um lado oposto do diafragma de isolamento fica em contato com um fluido de enchimento em um conduíte de fluido de enchimento que transmite o movimento do diafragma de isolamento para um diafragma de

2 / 16 sensoriamento do sensor de pressão. Uma estrutura elétrica no sensor de pressão (como um elemento resistivo, capacitivo ou piezoelétrico) é responsiva ao movimento do diafragma de sensoriamento do sensor de pressão e provê um sinal que é mensurável usando componentes eletrônicos de medição do transmissor de pressão do fluido de processo. No entanto, essa abordagem pode nem sempre ser prática, já que o fluido de processo pode ter uma temperatura muito alta, ser muito corrosivo ou ambos. Além disso, as intrusões de processo para acoplar um sensor de pressão ao fluido de processo geralmente requerem um orifício rosqueado ou outro suporte/vedante mecânico robusto no conduíte e, portanto, devem ser projetadas no sistema de fluxo de fluido de processo em um local definido. Por conseguinte, embora tais técnicas sejam úteis para prover indicações precisas da pressão do fluido de processo, elas apresentam algumas limitações.

SUMÁRIO

[004] É provido um sistema para medir a pressão do fluido de processo de maneira não intrusiva dentro de um conduíte de fluido de processo. O sistema inclui um suporte de medição configurado para se acoplar à uma superfície externa do conduíte de fluido de processo. O suporte de medição gera uma lacuna variável com base na deformação do conduíte de fluido de processo em resposta à pressão do fluido de processo no mesmo. Um sistema de medição de lacuna é acoplado ao suporte de medição e provê um sinal elétrico com base em uma medição da lacuna variável. Um controlador é acoplado ao sistema de medição de lacuna e é configurado para calcular e prover uma saída de pressão do fluido de processo com base no sinal elétrico e nas informações relativas ao conduíte do fluido de processo.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[005] A Figura 1 é uma vista esquemática em corte transversal que ilustra a deformação de um conduíte de fluido de processo em resposta a um aumento na pressão.

3 / 16

[006] A Figura 2 é uma vista esquemática em corte transversal que ilustra vários parâmetros úteis para detectar a deformação do conduíte e relacionar tal deformação à pressão do fluido de processo de acordo com uma modalidade da presente invenção.

[007] A Figura 3 é uma vista esquemática em corte transversal que ilustra um detector de deformação de acordo com uma modalidade da presente invenção.

[008] As Figuras 4A e 4B são vistas esquemáticas em corte transversal que ilustram os efeito das alterações dimensionais induzidas por temperatura em uma estrutura de detecção de acordo com uma modalidade da presente invenção.

[009] A Figura 5 é um gráfico de alteração de lacuna versus pressão de fluido de processo para uma modalidade da presente invenção.

[0010] As Figuras 6A e 6B ilustram o efeito da deflexão do diâmetro externo de um tubo distante de uma braçadeira rígida enquanto a pressão é aplicada internamente.

[0011] A Figura 7 é uma vista esquemática em perspectiva de um detector de deformação de conduíte de acordo com uma modalidade da presente invenção.

[0012] A Figura 8 é uma vista esquemática lateral da modalidade mostrada na Figura 7 com os sensores de deslocamento em destaque.

[0013] A Figura 9 é uma tabela que tabula as deflexões de superfície esperadas de 6,89 MPa (1.000 psi) de pressão em listas de tubos de aço inoxidável (11,43 cm de diâmetro externo (4,5 in O.D.)) com várias espessuras de parede.

[0014] A Figura 10 é uma vista esquemática em corte transversal de um sensor preso por braçadeira disposto acima de um tubo de acordo com uma modalidade da presente invenção.

[0015] A Figura 11 é uma vista esquemática em perspectiva que

4 / 16 ilustra um sensor preso por braçadeira com sensores de proximidade dispostos diametralmente opostos um com o outro de acordo com uma modalidade da presente invenção.

[0016] As Figuras 12 e 13 são modelos esquemáticos de análise de elementos finitos que ilustram o comportamento do conjunto preso por braçadeira conforme a pressão é aplicada internamente a um tubo no qual o sensor está preso.

[0017] A Figura 14 é uma vista esquemática de um sensor preso por braçadeira fixado ao conduíte de fluido de processo e eletricamente acoplado a um transmissor de acordo com uma modalidade da presente invenção.

[0018] A Figura 15 é uma vista esquemática dos componentes eletrônicos do sistema de acordo com uma modalidade da presente invenção.

[0019] A Figura 16 é um diagrama de fluxo de um método para calibrar um sistema de estimativas de pressão de fluido de processo de acordo com uma modalidade da presente invenção.

[0020] A Figura 17 é uma vista esquemática de um método para medir a pressão do fluido de processo de uma maneira não intrusiva de acordo com uma modalidade da presente invenção.

[0021] A Figura 18 ilustra um par de exemplos com múltiplos sensores de pressão de fluido de processo não intrusivos dispostos em lados opostos de uma restrição de fluxo de acordo com uma modalidade da presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES ILUSTRATIVAS

[0022] As modalidades descritas no presente documento geralmente alavancam a capacidade de medir de maneira confiável e precisa a deformação real do próprio conduíte de fluido de processo e distinguir tal deformação de tal forma que uma pressão precisa do fluido de processo pode ser estimada e provida.

[0023] A Figura 1 é uma vista esquemática que mostra uma

5 / 16 deformação exagerada do conduíte de fluido de processo. Conforme mostrado na porção mais à esquerda da Figura 1, o conduíte de fluido de processo 100 (mostrado em seção transversal) tem uma pressão interna P de 0. Uma estrutura espelhada ou oposta 104 é fixada a uma superfície externa 102 do conduíte de fluido de processo 100. Em um exemplo, cada metade é uma estrutura Z espelhada que é soldada nas soldas 103 ao diâmetro externo 102 do conduíte de fluido de processo 100. Como mostrado, na pressão interna P=0, a estrutura Z espelhada 104 tem uma lacuna relativamente pequena 106. Na porção direita da Figura 1, uma pressão interna P (onde P>0) é provida que é exercida igualmente sobre o diâmetro interno 105 do conduíte 100, aumentando dessa forma o diâmetro externo 102 do conduíte 100. Quando isso ocorre, cada metade da estrutura Z espelhada 104 se afasta levemente e a lacuna 106 (também rotulada como G0) aumenta. Consequentemente, pode-se ver que a pressão do fluido de processo pode ser inferida ou estimada usando um conjunto especializado composto por um par de suportes que podem ser soldados por pingos, ou de outra forma fixados, a um exterior do tubo com uma lacuna relativamente pequena separando os suportes. A lacuna se separará conforme a pressão interna do conduíte de fluido de processo 100 aumenta. Um aspecto importante dessa técnica operacional é o desenho dos suportes ou de outra estrutura adequada de forma a maximizar a sensibilidade à pressão enquanto reduz os efeitos induzidos pela temperatura.

[0024] A Figura 2 é uma vista esquemática da estrutura ilustrada em relação à Figura 1, mostrando várias quantidades a fim de ilustrar adicionalmente uma teoria de operação. Na Figura 2, o conduíte de fluido de processo 100 tem um raio interno a e um raio externo b. Além disso, a estrutura Z espelhada tem uma altura definida em termos da distância da lacuna 106 a partir do centro 108 do conduíte de fluido de processo 100. No exemplo ilustrado, essa altura é definida como Rs. Além disso, o ângulo de separação entre as paredes que se estendem radialmente da estrutura Z

6 / 16 espelhada é definido como ângulo de varredura θ. As modalidades descritas no presente documento geralmente quantificam a alteração na circunferência externa de um conduíte de parede espessa, definida como ΔS, quando uma pressão P é introduzida dentro do conduíte. A suposição é que a pressão externa seja zero. No entanto, as expressões descritas abaixo podem ser facilmente adaptadas para acomodar situações em que a pressão externa, como a pressão atmosférica ambiente, seja diferente. Sob a suposição de nenhuma pressão externa, a alteração na circunferência (ΔS) é determinada a partir da seguinte equação: Equação 1 em que E é o Módulo de Young do conduíte e a e b são os raios interno e externo do tubo, respectivamente.

[0025] A quantidade entre colchetes é a alteração na deformação tangencial na superfície externa do conduíte de fluido de processo conforme a pressão é aplicada. Pode-se ver que o espaçamento da lacuna 106 entre os suportes muda de G0 para um novo valor G(P) quando uma pressão P é aplicada de acordo com: Equação 2

[0026] A Equação 2 acima pode ser reescrita como: Equação 3 em que K é um fator de amplificação definido por: Equação 4

[0027] Pode-se ver na Equação 4 que K aumentará sempre que θ ou Rs aumentar, ou quando G0 diminuir. A Figura 3 é uma vista esquemática em

7 / 16 corte transversal que ilustra um detector de alteração de lacuna com base na capacitância de acordo com uma modalidade da presente invenção. Como pode ser visto, os eletrodos 110 e 112 são fixados a cada porção respectiva da estrutura de medição de lacuna Z espelhada por meio de isoladores 107 e 109 respectivamente. As superfícies da lacuna são as placas de um capacitor de placas paralelas, que se separam conforme a pressão aumenta. A fórmula de como a capacitância varia com o espaçamento da lacuna é provida abaixo.

C(P) = Equação 5

[0028] Na equação acima, A é a área da extremidade da barra, enquanto G(P) é a lacuna na pressão P, e ε0A é a permissividade do espaço livre e tem o valor de 0,089 pF/cm (0,225 pf/in).

[0029] Para compreender como as mudanças de temperatura podem afetar o tipo do sensor descrito acima, é importante considerar a geometria a fim de minimizar os efeitos térmicos. A Figura 4 é uma vista esquemática da estrutura trapezoidal mostrada na Figura 1 e mostra o que acontece enquanto a temperatura aumenta. Uma consideração importante na minimização dos efeitos térmicos é unir os suportes do sensor ao material do tubo. Consequentemente, se o conduíte de fluido de processo é formado de, por exemplo, aço inoxidável 304, então os suportes do sensor também devem ser feitos de aço inoxidável 304. Da mesma forma, se o conduíte de fluido de processo é formado de aço carbono, os suportes do sensor também devem ser feitos de aço carbono, e assim por diante. Quando esse for o caso, a lacuna só se expandirá por uma quantidade igual ao material da mesma largura.

[0030] A mudança induzida pela temperatura na lacuna (ΔG) pode ser considerada G αmetal ΔT. Com pressão, os suportes do sensor começam a se separar, determinados pela alteração no comprimento do arco varrido pelo ângulo θ. Essa alteração no comprimento do arco é traduzida em uma alteração de lacuna por meio da equação 2, que é mensurável, como mostrado

8 / 16 acima. Com uma mudança de temperatura, o comprimento do arco também se expande, no entanto, as peças do suporte do sensor que se projetam de volta na direção da lacuna estão se expandindo para dentro. O efeito líquido é que a lacuna muda apenas consideravelmente por um valor proporcional ao espaçamento da lacuna (ou seja, G) e não proporcional ao comprimento do arco. Consequentemente, o desenho amplifica os efeitos da pressão (por meio de alterações no comprimento do arco) sem um aumento proporcional na sensibilidade à temperatura. Além disso, o uso de blindagens térmicas, isolamento e traços térmicos de cobre ajudaria a reduzir o impacto dos transientes de temperatura no sensor. Além disso, um suporte adicional disposto adjacente ao suporte de medição, mas posicionado para não responder à pressão, ajudaria a eliminar os efeitos transitórios da temperatura por meio de rejeição de modo comum ou técnicas de proporção simples.

[0031] A Figura 5 ilustra resultados do modelo para uma modalidade em particular descrita no presente documento. A alteração de lacuna teórica (modelo) com um valor Rs de aproximadamente 7,11 cm (2,8 polegadas) de distância do centro com pressão aplicada em um tubo 10 de aço inoxidável 304 de diâmetro externo de 11,43 cm (4,5 polegadas) é mostrada. No exemplo ilustrado, uma mudança de pressão de 6,89 MPa (1.000 psi) produz uma alteração de lacuna de 0,006858 cm (2,7 mils ou 0,0027 polegadas), que é grande o suficiente para ser facilmente detectada por uma variedade de meios bem compreendidos por aqueles versados na técnica, dos quais deslocamento de capacitância é um deles.

[0032] Embora as modalidades descritas acima tenham geralmente provido uma estrutura espelhada ou oposta que é fixada diretamente (ou seja, soldada ou de outra forma aderida) à superfície externa ou ao diâmetro de um conduíte de fluido de processo, é expressamente contemplado que as modalidades descritas no presente documento podem ser praticadas com uma estrutura que se prende diretamente a um conduíte de fluido de processo.

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[0033] As Figuras 6A e 6B ilustram a deformação do conduíte que leva a uma modalidade adicional de um sensor preso por braçadeira mostrado na Figura 7. Nas Figuras 6A e 6B, há uma banda espessa 500 circundando um tubo 502, que pode ser considerada uma braçadeira rígida. A braçadeira é projetada para ser robusta de modo que não se deforme consideravelmente quando o tubo for pressurizado. A Figura 6B mostra uma simulação de elemento finito de um tubo de aço inoxidável 304 (tabela 40) pressurizado a 6,89 MPa (1.000 psi) com uma braçadeira rígida 500 no meio. O formato está exagerado para ver melhor o formato. O que é interessante é que o diâmetro do tubo retoma sua deflexão total a uma distância relativamente curta da braçadeira 500, apenas 7,62 cm (3 polegadas) (na direção longitudinal) neste exemplo. Essa propriedade pode ser usada para construir um sensor de pressão útil, como o ilustrado na Figura 7.

[0034] As Figuras 7 e 8 são vistas em perspectiva e laterais simplificadas, respectivamente, mostrando a localização dos sensores 504, 506 que detectam a alteração de lacuna relativa entre os braços 512, que são fixados ao suporte relativamente imóvel, e a superfície externa do tubo 508, que se deforma com pressão de acordo com a Figura 6B.

[0035] Para esse desenho, a lacuna sendo detectada altera de acordo com: Equação 6 em que as variáveis a, b, E, P são definidas da mesma forma que antes.

[0036] A banda 500 é formada como uma braçadeira articulada ou um par de metades de braçadeiras que podem ser aparafusadas ou de outra forma fixadas em torno do tubo 502. O(s) braço(s) 512 são fixados à banda 500 e se estendem transversalmente a partir dela. Essa extensão transversal é preferivelmente de pelo menos 7,62 cm (três polegadas) além da borda da

10 / 16 banda 500 de modo que a deformação do tubo 502, em resposta à pressão interna, seja totalmente desenvolvida, como mostrado na Figura 6B. A banda 500 e o(s) braço(s) 512 são preferivelmente construídos a partir do mesmo material do tubo, a fim de minimizar os efeitos da expansão térmica, conforme já explicado seguindo os argumentos citados em relação às Figuras 4A e 4B. Consequentemente, com as mudanças de temperatura, a braçadeira 500 e os braços 512 mudarão de tamanho da mesma maneira que o tubo 502. No exemplo ilustrado, os braços 512 se estendem a montante e a jusante a partir da banda 500, com sistema ou detectores de medição de lacuna 504, 506 dispostos próximos a uma extremidade de cada braço 512. Em um exemplo, cada detector 504, 506 é um sensor capacitivo que tem uma capacitância com o tubo 502 que varia com a lacuna entre o detector e o tubo

502.

[0037] A título de exemplo, a Figura 9 tabula as alterações de lacuna esperadas por ksi (6,89 MPa (1.000 psi)) para um tubo de aço inoxidável 304 de 11,43 cm de diâmetro externo (4,5 in O.D.) tendo várias tabelas de espessuras de parede.

[0038] A Figura 10 é uma vista esquemática em corte transversal de outra modalidade de um sensor preso por braçadeira 200 disposto em torno do tubo 202 de acordo com a presente invenção. Como mostrado, o sensor preso por braçadeira 200 é configurado para se fixar fisicamente ao diâmetro externo do tubo 202 nos pontos de fixação 250, 252. A braçadeira 200 é preferivelmente construída a partir do mesmo material do tubo 202 a fim de compensar os efeitos da expansão térmica/histerese. Consequentemente, com as mudanças de temperatura, a braçadeira 200 mudará de tamanho da mesma maneira que o tubo 202. No entanto, a braçadeira 200 inclui um par de sensores de proximidade 260, 262 dispostos a aproximadamente 90° dos pontos de fixação 250, 252. Dessa forma, conforme a pressão dentro do tubo 202 aumenta e o tubo 202 se deforma para fora, os sensores de proximidade

11 / 16 260, 262 medirão uma distância reduzida para a superfície externa do tubo

202. Os sensores de proximidade 260, 262 são acoplados a sistemas de circuitos de medição adequados, como o sistema de circuitos de medição 218 (mostrado na Figura 15), e proveem uma indicação de proximidade ao tubo e, dessa forma, uma indicação de pressão de fluido de processo dentro do tubo.

[0039] A Figura 11 é uma vista esquemática em perspectiva que ilustra o sensor preso por braçadeira 200 com os sensores de proximidade 260 e 262 dispostos diametralmente opostos um ao outro.

[0040] A partir da descrição apresentada acima, é evidente que a alteração na circunferência do diâmetro externo do conduíte de fluido de processo varia com base, não apenas na pressão aplicada, mas também no material do conduíte de fluido de processo, e na espessura da parede do tubo. Consequentemente, as modalidades descritas no presente documento geralmente incluem a calibração de um sistema de medição de pressão de fluido de processo não intrusivo, uma vez que ele é montado em um conduíte de fluido de processo em particular.

[0041] As Figuras 12 e 13 são modelos esquemáticos simplificados de análise de elemento finito que ilustram o comportamento do conjunto preso por braçadeira conforme a pressão é aplicada internamente a um tubo no qual o sensor está preso. No exemplo ilustrado, a escala de deformação é exagerada por um fator de 50. As áreas circuladas destacam como o espaçamento de lacuna diminui conforme a pressão é aplicada. Observe que dois efeitos estão presentes. Um efeito é que o tubo está se expandindo para fora e, em segundo, os lados dos suportes, devido a um efeito mecânico, estão se movendo para dentro. Isso amplifica a alteração de lacuna além das alterações simples no diâmetro do conduíte. Além disso, a saída do dispositivo pode ser configurada para ser a soma dos dois sensores, que dobra o sinal, bem como minimiza os problemas lado a lado, uma vez que a soma das duas lacunas permanecerá constante sob o movimento lado a lado. Dessa

12 / 16 forma, a lacuna líquida apenas se alterará quando a pressão for aplicada dentro do conduíte. O resultado é uma medição sólida que tem uma saída de sinal quase quatro vezes maior que a abordagem do suporte único descrita acima em relação à Figura 1. Por último, os efeitos térmicos ainda são baixos, desde que o material da braçadeira seja feito a partir do mesmo material do tubo.

[0042] A Figura 14 ilustra um exemplo em que o sensor preso por braçadeira 200 é preso ao conduíte de fluido de processo 202 e, em seguida, acoplado eletricamente ao transmissor de pressão de fluido de processo 204, que está um pouco espaçado do sensor preso por braçadeira 200 ao longo do conduíte 202. O sensor preso por braçadeira 200 é configurado para prover uma indicação relativa a uma ou mais lacunas que se alteram conforme o conduíte de fluido de processo 202 reage às alterações na pressão do fluido de processo. Os sinais elétricos a partir de um ou mais sensores de lacuna dentro do sensor preso por braçadeira 200 são providos aos componentes eletrônicos dentro da carcaça do transmissor 206 para serem processados para prover uma saída de pressão de fluido de processo que é depois comunicada aos componentes eletrônicos remotos, como uma sala de controle.

[0043] As modalidades mostradas nas Figuras 7 e 14 são consideradas particularmente vantajosas por não exigirem qualquer montagem permanente em particular (ou seja, soldagem) no conduíte de fluido de processo. Dessa forma, as modalidades mostradas nas Figuras 7 e 14 podem ser fixadas ao conduíte de fluido de processo em qualquer lugar onde se deseja medir a pressão do fluido de processo. O espaçamento do transmissor 204 do sensor preso por braçadeira 200 é benéfico a fim de minimizar os problemas que possam surgir da montagem do transmissor. A montagem separada também oferece a possibilidade de obter medições de processo adicionais, como temperatura e/ou corrosão e medições de espessura da parede do tubo.

[0044] A Figura 15 é uma vista esquemática dos componentes

13 / 16 eletrônicos dentro da carcaça 206. Como mostrado, um módulo de energia 210 é configurado para prover energia aos vários componentes do transmissor, conforme indicado pela seta 212 rotulada “para todos”. Nas modalidades em que o transmissor é um transmissor sem fio, o módulo de energia pode incluir uma bateria, recarregável ou não recarregável, e componentes de condicionamento de energia adequados para prover os níveis de tensão e de corrente apropriados para os vários componentes dentro do transmissor. Nas modalidades em que o transmissor 204 é configurado para se acoplar a um circuito ou segmento de comunicação de processo a cabo, o módulo de energia 210 pode ser adaptado para derivar toda a energia necessária para operar o transmissor 204 a partir da energia elétrica provida ao longo do circuito ou segmento de comunicação de processo.

[0045] O módulo de comunicação 214 é acoplado ao controlador 216 e provê ao controlador 216 a capacidade de se comunicar de acordo com um protocolo padrão de comunicação de processos. Exemplos de protocolos padrão de comunicação de processos a cabo incluem o protocolo Highway Addressable Remote Transducer (HART®) e os protocolos FOUNDATIONTM Fieldbus. Um exemplo de protocolo de comunicação de processo sem fio para o qual o módulo de comunicação 214 pode ser adaptado é o protocolo WirelessHART (IEC62591).

[0046] O controlador 216 pode ser qualquer dispositivo ou arranjo elétrico adequado de lógica que seja capaz de executar instruções ou etapas programáticas para determinar uma saída de estimativa de pressão de fluido de processo com base em uma medição de lacuna. Em um exemplo, o controlador 216 é um microprocessador com sistema de circuitos de temporização e de memória associados dispostos no mesmo. O controlador 216 é acoplado ao módulo de medição 218, que pode incluir um ou mais conversores analógico-digital que permitem que o controlador 216 obtenha informações indicativas de sinais elétricos providos pelos sensores de lacuna.

14 / 16 Um exemplo de um sensor de lacuna adequado é o arranjo de placas capacitivas descrito acima. No entanto, é expressamente contemplado que qualquer tecnologia adequada que seja capaz de obter informações indicativas da lacuna de maneira precisa e confiável pode ser usada. Exemplos de tal tecnologia incluem técnicas óticas (interferometria, atenuação, etc.), detecção de proximidade de corrente parasita, localização acústica por eco, tecnologia de medição de tensão e tecnologia magnética (relutância variável, indutância, sensores de efeito Hall, etc.).

[0047] O módulo de medição 218 é acoplado a um ou mais sensores de lacuna 220 que proveem uma indicação elétrica indicativa da lacuna variável. Na modalidade descrita acima, o sensor de lacuna pode ser um único capacitor de placas paralelas. No entanto, outras formas de medição de lacuna, como descrito acima, podem ser usadas.

[0048] A Figura 16 é um diagrama de fluxo de um método para calibrar tal sistema de acordo com uma modalidade da presente invenção. O método 300 começa no bloco 302 no qual o sistema de medição de pressão de fluido de processo não intrusivo está ligado a um conduíte de fluido de processo em particular. A fixação pode ser na forma de soldar uma estrutura Z espelhada a tal conduíte ou de prender uma estrutura com braçadeira ao conduíte de fluido de processo. Em seguida, no bloco 304, uma primeira pressão conhecida (P1) é gerada dentro do conduíte de fluido de processo. Enquanto a pressão interna P1 está presente dentro do conduíte de fluido de processo, uma medição de lacuna é obtida usando um ou mais sensores de lacuna, como indicado no bloco 306. Em seguida, no bloco 308, uma segunda pressão conhecida (P2) é gerada dentro do conduíte de fluido de processo e, no bloco 310, a lacuna é medida novamente. Com as duas pressões conhecidas e as duas lacunas medidas, o sistema é resolvido pelas constantes (relacionadas à espessura da parede do tubo e ao Módulo de Young). Observe que, em algumas modalidades, essas quantidades podem ser inseridas

15 / 16 diretamente no sistema por meio de uma interface de usuário ou através de comunicação de processo, ou podem ser selecionadas por um usuário quando o sistema estiver ordenado ou de outra forma produzido. No bloco 312, as quantidades conhecidas para a espessura da parede do tubo e Módulo de Young são armazenadas 314 na memória, como a memória do controlador 216 para uso durante a operação.

[0049] A Figura 17 é um diagrama de fluxo de um método para medir a pressão de fluido de processo de maneira não intrusiva. O método 400 começa no bloco 402 no qual uma lacuna de uma estrutura que está fixada a uma superfície externa do conduíte de fluido de processo é medida. Em seguida, no bloco 404, são obtidas as informações relacionadas ao Módulo de Young e à espessura da parede do conduíte. No bloco 406, a lacuna medida e o Módulo de Young e a espessura da parede do tubo obtidos são usados para calcular uma pressão de fluido de processo dentro do conduíte de fluido de processo. Por fim, no bloco 408, a pressão do fluido de processo calculada é provida como uma saída. Essa saída pode ser na forma de uma indicação local como por meio de uma interface de usuário, ou comunicada a um dispositivo eletrônico remoto como através de um circuito de comunicação de processo, com ou sem fio.

[0050] As modalidades descritas no presente documento geralmente se prestam também a medições multivariáveis intensificadas. O sensor preso por braçadeira pode integrar uma medição térmica de processo por meio de um sensor de temperatura localizado dentro do conjunto de sensor de pressão preso por braçadeira ou fixado à carcaça do transmissor 206 usando a tecnologia de estimativa de temperatura de fluido de processo não intrusiva. Além disso, as informações podem ser obtidas a partir de um sensor integrado fixado à carcaça 206 que proveria distinção das propriedades do tubo (ou seja, espessura da parede, tipo de material), bem como informações de corrosão.

[0051] A Figura 18 ilustra um par de exemplos com vários sensores

16 / 16 de pressão de fluido de processo não intrusivos dispostos em lados opostos de uma restrição de fluxo. O uso de um segundo sensor preso por braçadeira também pode ser configurado para medir a queda de pressão através da restrição no tubo. Com base no conhecimento dessa restrição, as duas medições de pressão podem prover uma indicação do fluxo de fluido de processo.

[0052] Embora as modalidades tenham sido geralmente descritas com relação a um conjunto espelhado que é soldado ou de outra forma permanentemente fixado a uma superfície externa de um conduíte, ou a um conjunto preso por braçadeira, é expressamente contemplado que um conjunto de carretel pode ser provido onde uma seção do tubo pode ter um par de flanges de fixação e um sensor não intrusivo pré-montado na seção curta do carretel do tubo. Então, a instalação do sistema de medição de pressão de fluido de processo não intrusivo no processo seria tão simples quanto fixar o carretel usando um par de flanges de tubo de fixação.

[0053] Embora a modalidade descrita com relação à Figura 1 mostre uma estrutura espelhada ou oposta com uma lacuna entre os dois componentes, onde os componentes são fisicamente separados pela lacuna, é também expressamente contemplado que os componentes podem ser mecanicamente acoplados, como por meio de um ponto de articulação de tesoura, a fim de prover uma quantidade adequada de atenuação de mecanismo da alteração da lacuna em relação à alteração na circunferência do conduíte de fluido de processo. Além disso, os sensores de lacuna embutidos também podem ser usados para detectar vibração do tubo ou outros problemas mecânicos. Por fim, todo o produto pode ser sem fio, conforme descrito acima.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Sistema para medir pressão de fluido de processo de maneira não intrusiva dentro de um conduíte de fluido de processo, o sistema caracterizado pelo fato de que compreende: um suporte de medição configurado para se acoplar à uma superfície externa do conduíte de fluido de processo, o suporte de medição gerando uma lacuna variável com base na deformação do conduíte de fluido de processo em resposta à pressão de fluido de processo no mesmo; um sistema de medição de lacuna acoplado ao suporte de medição e configurado para prover um sinal elétrico com base em uma medição da lacuna variável; e um controlador acoplado ao sistema de medição de lacuna e configurado para calcular e prover uma pressão de fluido de processo com base no sinal elétrico e nas informações relativas ao conduíte de fluido de processo.

2. Sistema para medir pressão de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as informações relativas ao conduíte de fluido de processo incluem uma indicação do tipo de material do conduíte de fluido de processo.

3. Sistema para medir pressão de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que as informações relativas ao conduíte de fluido de processo incluem um Módulo de Young para o material do conduíte de fluido de processo.

4. Sistema para medir pressão de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as informações relativas ao conduíte de fluido de processo incluem uma espessura da parede do conduíte de fluido de processo.

5. Sistema para medir pressão de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o suporte inclui uma estrutura espelhada que detecta um arco ou porção de uma circunferência do conduíte de fluido.

6. Sistema para medir pressão de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o suporte inclui um eletrodo disposto em cada metade da estrutura espelhada, os eletrodos formando um capacitor variável de placas paralelas com uma capacitância que varia com a lacuna.

7. Sistema para medir pressão de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o suporte é formado do mesmo material do conduíte de fluido de processo.

8. Sistema para medir pressão de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o suporte é soldado ao conduíte de fluido de processo.

9. Sistema para medir pressão de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o suporte inclui uma braçadeira que é configurada para se fixar ao conduíte de fluido de processo.

10. Sistema para medir pressão de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a braçadeira é configurada para se fixar de maneira liberável ao conduíte de fluido de processo.

11. Sistema para medir pressão de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a braçadeira inclui um par de pontos de fixação configurados para entrar em contato com a superfície externa do conduíte de fluido de processo.

12. Sistema para medir pressão de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o par de pontos de fixação é configurado para que estejam localizados diametralmente opostos um do outro no conduíte de fluido de processo.

13. Sistema para medir pressão de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente pelo menos um sensor de lacuna disposto próximo à superfície externa do conduíte de fluido de processo e configurado para prover uma indicação de distância para a superfície externa do conduíte de fluido de processo.

14. Sistema para medir pressão de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que pelo menos um sensor de lacuna inclui um par de sensores de lacuna dispostos diametralmente opostos um do outro.

15. Sistema para medir pressão de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de sensores de lacuna está disposta a 90 graus do par de pontos de fixação.

16. Sistema para medir pressão de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de sensores de lacuna são sensores de capacitância.

17. Sistema para medir pressão de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de sensores de lacuna são sensores óticos.

18. Sistema para medir pressão de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de sensores de lacuna são sensores de detecção de proximidade de corrente parasita.

19. Sistema para medir pressão de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de sensores de lacuna são sensores acústicos de localização por eco.

20. Sistema para medir pressão de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de sensores de lacuna são medidores de tensão.

21. Sistema para medir pressão de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um sensor de temperatura operacionalmente acoplado ao suporte para prover uma indicação de uma temperatura do conduíte de fluido de processo.

22. Sistema para medir pressão de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um segundo suporte configurado para ser fixado ao conduíte de fluido de processo e espaçado do primeiro suporte ao longo do conduíte de fluido de processo, em que uma obstrução dentro do conduíte de fluido de processo entre o primeiro e segundo suportes gera um diferencial de pressão relacionado ao fluxo de fluido de processo.

23. Sistema para medir pressão de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um transmissor de pressão de fluido de processo que comunica a pressão de fluido de processo calculada para um local remoto.

24. Sistema para medir pressão de acordo com a reivindicação 23, caracterizado pelo fato de que o transmissor de pressão de fluido de processo é fixado ao conduíte de fluido de processo em um local afastado do suporte de medição.

25. Método para calibrar um sistema para medir pressão de fluido de processo não intrusivo, o método caracterizado pelo fato de que compreende: fixar um suporte de medição a uma superfície externa de um conduíte de fluido de processo, o suporte de medição tendo uma estrutura que gera uma lacuna variável com base na deformação do conduíte de fluido de processo em resposta à pressão do fluido de processo dentro do conduíte de fluido de processo; gerar uma primeira pressão conhecida dentro do conduíte de fluido de processo; medir uma lacuna da estrutura enquanto a primeira pressão conhecida é aplicada dentro do conduíte de fluido de processo; gerar uma segunda pressão conhecida dentro do conduíte de fluido de processo; medir uma lacuna da estrutura enquanto a segunda pressão conhecida é aplicada dentro do conduíte de fluido de processo; e computar pelo menos uma quantidade relacionada ao conduíte de fluido de processo e armazenar a pelo menos uma quantidade relacionada ao conduíte de fluido de processo para medição de pressão de fluido de processo subsequente.

26. Sistema para medir pressão de fluido de processo de maneira não intrusiva dentro de um conduíte de fluido de processo, o sistema caracterizado pelo fato de que compreende: um suporte de medição configurado para se acoplar a uma superfície externa do conduíte de fluido de processo, o suporte de medição tendo uma banda configurada para circundar o conduíte de fluido de processo e pelo menos um braço se estendendo transversalmente à banda; um sistema de medição de lacuna acoplado ao pelo menos um braço do suporte de medição e sendo configurado para prover um sinal elétrico com base em uma lacuna variável entre o sistema de medição de lacuna e o conduíte de fluido de processo; e um controlador acoplado ao sistema de medição de lacuna e configurado para calcular e prover uma pressão de fluido de processo com base no sinal elétrico e nas informações relacionadas ao conduíte de fluido de processo.

27. Sistema de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um braço compreende uma pluralidade de braços que se estendem em direções opostas, cada braço tendo um sistema de medição de lacuna acoplado ao mesmo.

28. Sistema de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato de que o sistema de medição de lacuna inclui um sensor de deslocamento capacitivo configurado para sensorear uma capacitância com o conduíte de fluido de processo, a capacitância sensoreada sendo indicativa de uma lacuna entre o sistema de medição de lacuna e o conduíte de fluido de processo.

29. Sistema de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato de que o sistema de medição de lacuna inclui um detector de proximidade de corrente parasita.

30. Sistema de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato de que a banda é uma braçadeira rígida que é configurada para não dobrar em resposta às mudanças de pressão dentro do conduíte de fluido de processo.