BRPI0805135B1 - Atuador eletrônico para o acionamento de válvula para controle de fluxo - Google Patents

Abstract

atuador eletrônico para acionamento de válvula para controle de fluxo. notadamente na injeção proporcional de produtos químicos em linhas de produção de petróleo e gás natural, compreendendo tampa superior (1), com respectivo o-ring; circuitos impressos (2) e (3); disco aletado (4); motor de passo (5); extensão modificada do eixo do motor (6); engrenagem (7); compartimento de conexões elétricas e de rede (8); entradas laterais (9); conector multi-vias (10); tampa lateral (11) com respectivo o-ring; dispositivo de suporte do conjunto (12); invólucro principal do atuador (13); módulo de apoio do eixo estendido do motor (14); invólucro secundário do atuador (15) e, válvula, tipo agulha ou similar, de alta ou baixa pressão (16).

Description

CAMPO DE ATUAÇÃO

[001] Trata-se o presente pedido de patente de invenção de um atuador eletrônico destinado ao acionamento de válvulas utilizadas no controle da vazão de líquidos, notadamente na injeção proporcional de produtos químicos em linhas de produção de petróleo e gás natural.

HISTÓRICO DA INVENÇÃO

[002] Como é do conhecimento geral e principalmente por parte dos habilitados na técnica, a injeção de produtos químicos tais como: desemulsificantes, bactericidas, álcoois, glicol, etc., trata- se de uma prática comum e usual na operação de exploração e produção de petróleo.

[003] Atualmente, do ponto de vista operacional, esta injeção de produtos químicos é efetuada de uma forma pouco automatizada, uma vez que os sistemas atuais baseiam- se em bombas dosadoras, onde a proporção da injeção dos produtos químicos é executada manualmente, de modo que a vazão do fluido a ser injetado depende normalmente da intervenção direta e manual do operador.

[004] Mesmo nos casos de dosagem automática pelo atuador da bomba dosadora, a injeção teria que se dar individualmente, linha por linha, exigindo muito espaço, com custos muito altos.

[005] Outra forma muito utilizada, consiste de um controle denominado proporcional que visa injetar o fluido químico na corrente de petróleo, baseado na manutenção de um diferencial de pressão pré-estabelecido em uma válvula de controle de pressão auto pilotada.

[006] Ocorre que estes dois sistemas não permitem um controle exato da proporcionalidade entre a quantidade de petróleo ou gás que flui pela linha principal e a quantidade de produtos químicos que nela deve ser injetado.

[007] Nesse mesmo aspecto, o estado da técnica revela que em função do tamanho do atuador, da classificação do invólucro para instalação em áreas classificadas e, principalmente pelo fato de necessitarem de ar comprimido para alimentar os atuadores, as atuais válvulas de controle existentes no mercado apresentam uma série de limitações para este tipo de aplicação.

[008] Tais condições permitem apenas o uso limitado destes atuadores, pois, tipicamente, plataformas de exploração de petróleo não têm suprimento de ar comprimido em pontos de injeção de produtos químicos. Já nos pontos em que existe ar comprimido, o sistema da plataforma não está dimensionado para receber dezenas de atuadores necessários para cada linha de aditivo químico.

[009] Exemplos de atuadores podem ser visualizados nos documentos US6791219 (BVR TECHNOLOGIES CO.) que trata de atuador eletromecânico com um motor sem escova e sensores de posição angular sem contato que fornecem sinais de comutação do motor e sinais de posição angular do eixo de saída para atingir um atuador de confiabilidade e precisão e US7287551 (ADVANCED PROD PTY.) que se refere a uma válvula para o controle do fluxo de gás, mais particularmente a uma válvula para controlar o fluxo / fornecimento de gás combustível para um queimador de gás residencial.

[010] Ambos os documentos mencionados guardam relação por serem atuadores, mas apresentam não só construtividade, como funcionamento distintos em relação ao da presente solicitação.

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[011] Levando-se em consideração apenas alguns dos inconvenientes acima relatados, bem como, as limitações de espaço nas plataformas petrolíferas, as dificuldades na disponibilidade de ar comprimido e as necessidades de garantias de segurança operacional, o objeto do presente pedido de patente de invenção que consiste de um atuador eletrônico destinado ao acionamento de válvulas utilizadas no controle da vazão de líquidos, notadamente na injeção proporcional de produtos químicos em linhas de produção de petróleo e gás natural, vem resolver de modo demasiadamente satisfatório os problemas mencionados, representando, também, um avanço na técnica, trazendo um atuador extremamente compacto, motorizado e com invólucro para atuar em áreas com classificação “EExd[ia]llCT4” e grau de proteção “IPW66”.

[012] A dosagem através de válvula micro-fluxo acionada por este atuador eletrônico possibilita a injeção de forma múltipla, adicionando o mesmo produto em várias linhas, cada linha com sua válvula e respectivo atuador.

[013] Dito atuador dispensa instalações pneumáticas e fiação exclusiva de sinais para cada válvula, permitindo também a conexão de transmissão de sinais em rede entre com um "CLP", necessitando para tanto somente um par de fios passando pelo conjunto de até vinte e cinco válvulas que pode integrar um “sistema de injeção1’ de produtos químicos.

[014] Este novo atuador, tendo em vista seu princípio de funcionamento, quando acoplado a válvulas de micro-fluxo possibilita dosagens proporcionais em altas pressões, com grande precisão quando comparado com os métodos atualmente utilizados.

[015] A partir da ação do motor, a válvula micro-fluxo tem a abertura / fechamento controlado. Todo o movimento de abertura / fechamento da válvula é diretamente controlado, passo-a- passo, por um driver acionador do motor e com realimentação do movimento, utilizando-se um encoder de engrenagem dentada, detectada por sensores de fluxo magnético (Efeito-Hall) ou irradiação eletromagnética (eletro-óptico ou infravermelho). Todo o tamanho do curso de abertura da válvula é determinado em processo de calibração automático, a partir do qual é estabelecida uma relação entre porcentagem de abertura e quantidade de passos a partir da referência e por consequência determinada a posição atual da válvula.

[016] O referido atuador permite também um controle de abertura / fechamento dinâmico incluindo o controle da velocidade de rotação do motor, sendo, ainda, dotado de um sistema de pré-ajuste de torque por controle de energia de excitação do motor, feita a partir de conversor digital-analógico.

[017] Nesse sentido e visando um melhor entendimento da presente inovação, bem como, de suas características técnicas, construtivas e funcionais, são apresentados desenhos do atuador, além de um diagrama de blocos, onde:

[018] A figura 1 ilustra o referido diagrama, representando a interligação em blocos dos módulos constituintes do atuador, compreendendo: - um módulo elétrico microprocessado, com o sistema de controle de energia para ajuste de torque, o driver de acionamento do motor e o sistema retificador de tensão e corrente para o motor; - um módulo encoder magnético ou eletromagnético (eletro- óptico ou infravermelho) para realimentação de movimento e velocidade de rotação do motor; - um módulo eletro-mecâníco formado pelo motor de passo e válvula do tipo agulha ou similar.

[019] A Figura 2 revela, para efeito ilustrativo, uma vista em perspectiva do invólucro completo do atuador, montado sobre uma micro-válvula reguladora de agulha de alta pressão de tamanho DN %”.

[020] A Figura 3 ilustra vista lateral do invólucro completo do atuador.

[021] A Figura 4 ilustra, em perspectiva explodida, as partes construtivas que compreendem o presente atuador.

[022] De conformidade com as referidas ilustrações, e em consonância à descrição ora apresentada, refere-se o presente pedido de patente de invenção a um atuador eletrônico destinado ao acionamento de válvulas utilizadas no controle da vazão de líquidos, notadamente na injeção proporcional de produtos químicos em linhas de produção de petróleo e gás natural, compreendendo, basicamente, uma tampa superior (1), com respectivo O-Ring; um circuito impresso que encerra o hardware do controlador eletrônico do atuador CPU (2); um circuito impresso que encerra o hardware do encoder (3); um disco aletado (4); motor de passo (5); uma

[023] extensão modificada do eixo do motor (6); engrenagem (7); compartimento de conexões elétricas e de rede (8) construído a prova de explosão; entradas laterais para colocação de prensa- cabos (9) para entrada de cabeamento de rede e elétrico; conector multi-vias (10) de interconexão do compartimento interno e com o compartimento de conexões elétricas do invólucro principal do atuador; tampa lateral (11) com respectivo O-Ring; dispositivo de suporte do conjunto (12) que permite conexões para fixação do atuador; invólucro principal do atuador (13); módulo de apoio do eixo estendido do motor (14), montado sobre um rolamento; invólucro secundário do atuador (15) e, válvula, tipo agulha ou similar, de alta ou baixa pressão (16),

[024] Dita tampa superior (1), com respectivo O-Ring, veda hermeticamente a abertura do atuador, permitindo o acesso à instalação em seu interior dos circuitos impressos (2) e (3), do disco aletado (4), do motor de passo (5) e da extensão modificada do eixo do motor (6). O circuito impresso (2) que encerra o hardware do controlador eletrônico do atuador CPU do atuador que possibilita um controle gradativo de alta resolução - 200 passos para cada volta, com elevada repetitividade. Também no controlador são montadas as interfaces de rede de comunicação. O disco aletado

[025] (4) possibilita a partir de um sensor de Efeito-Hall a leitura exata do número de passos do motor bem como sua velocidade de revolução, A extensão modificada do eixo do motor (6) consiste no acoplamento de eixo dentado que em contato com a engrenagem (7) desenvolvida especialmente para ser acoplada com precisão ao eixo da válvula (16), permite transformar a rotação do motor num movimento bidirecional e axial do eixo da referida válvula (16). A tampa lateral (11), com respectivo O-Ring veda hermeticamente a abertura do atuador, permitindo o acesso aos bornes de conexões elétricas do mesmo. A válvula, tipo agulha ou similar (16), de alta ou baixa pressão, está acoplada através de seu eixo ao atuador eletrônico, que possibilita regulagens exatas e micrométricas de vazões.

[026] Assim, dito atuador compreende essencialmente dois elementos distintos, quais sejam: uma válvula de controle acoplada ao atuador propriamente dito, tendo uma construção bipartida com módulos independentes do atuador e válvula, permitindo seu acoplamento a válvulas de diversos tipos, munidas de eixo que possibilitam o acionamento da válvula mediante seu acionamento rotativo, de modo que: - seu elemento de acionamento é representado por um motor de passo convencional (5); - seu motor de passo ter extensão de eixo modificada, no sentido axial, com extensor de eixo dentado (6); - seu motor de passo é comandado por um controlador eletrônico que em virtude das originais características de seu hardware e software, lhe possibilitam executar varias funções necessárias e inerentes a sistemas operacionais automatizados; - seu controlador eletrônico permite que o motor possa atuar sobre o eixo da válvula de forma a possibilitar o seu controle gradativo com elevada resolução, aíta repetitividade e excelente torque; - ele disponha de comunicação serial "RS 485", protocolo "MODBUS-RTU" que possibilita a interligação de até vinte e cinco atuadores numa mesma rede; - ele dispõe de funções de auto diagnóstico que pode fornecer ao usuário informações sobre seu desempenho de forma que numa eventual falha de energia poderá ser configurado o modo de retorno para três opções; manutenção da posição corrente no momento da falha de energia (memória de posição), ou posicionamento totalmente aberta ou posicionamento totalmente fechado; - através de sua função "auto calibração” pode ser efetuado o ajuste de todo o curso do eixo da válvula ou seja de 0 a 100% de forma automática. Esta função, iniciada via comando serial, é executada por ação do sistema motor, encoder e CPU/Controle.

[027] Ressalte-se que enquanto a presente solicitação foi descrita com referência à modalidade pretendida, será aparente aos versados na técnica que outras modificações poderão ser aqui realizadas, inclusive no que se refere a utilização de materiais, formatos, parâmetros e dimensões variadas, encontrando-se, tais características, devidamente abrangidas na presente inovação, sem que se distancie do espírito e escopo do quanto ora pleiteado.

[028] Diante de tudo quanto foi exposto e devidamente ilustrado, é de se compreender que o presente atuador eletrônico para acionamento de válvula de controle de fluxo mostra-se extremamente simples em sua concepção, sendo, portanto, de fácil exequibilidade, baixo custo e excelentes resultados práticos e funcionais, reunindo os essenciais requisitos de novidade, atividade inventiva e aplicação industrial, fazendo-se totalmente merecedor do privilégio ora requerido.

Claims (11)

1. “ATUADOR ELETRÔNICO PARA ACIONAMENTO DE VÁLVULA PARA CONTROLE DE FLUXO” notadamente na injeção proporcional de produtos químicos em linhas de produção de petróleo e gás natural, do tipo que compreende uma tampa superior (1), com respectivo O-Ring; um circuito impresso que encerra o hardware do controlador eletrônico do atuador CPU (2); um circuito impresso que encerra o hardware do encoder (3); um disco aletado (4); invólucro principal do atuador (13); módulo de apoio do eixo estendido do motor (14), montado sobre um rolamento; válvula, tipo agulha ou similar, de alta ou baixa pressão (16); inclui, ainda, um motor de passo (5); engrenagem (7); conector multi-vias (10) de interconexão do compartimento interno e com o compartimento de conexões elétricas do invólucro principal do atuador; o circuito impresso (2) que encerra o hardware do controlador eletrônico do atuador CPU do atuador que possibilita um controle gradativo de alta resolução - 200 passos para cada volta, com elevada repetitividade; também no controlador são montadas as interfaces de rede de comunicação; o disco aletado (4) possibilita a partir de um sensor de Efeito- Hall a leitura exata do número de passos do motor bem como sua velocidade de revolução; a extensão modificada do eixo do motor (6) consiste no acoplamento de eixo dentado que em contato com a engrenagem (7) desenvolvida especialmente para ser acoplada com precisão ao eixo da válvula (16), permite transformar a rotação do motor num movimento bidirecional e axial do eixo da referida válvula (16); a tampa lateral (11), com respectivo O-Ring veda hermeticamente a abertura do atuador, permitindo o acesso aos bornes de conexões elétricas do mesmo; a válvula, tipo agulha ou similar (16), de alta ou baixa pressão, está acoplada através de seu eixo ao atuador eletrônico, que possibilita regulagens exatas e micrométricas de vazões; caracterizado por por compreender um dispositivo de suporte do conjunto (12) para conexões e fixação do atuador; invólucro secundário do atuador (15); uma extensão modificada do eixo do motor (6); compartimento de conexões elétricas e de rede (8) à prova de explosão; entradas laterais para prensa-cabos (9) e entrada de cabeamento de rede e elétrico; tampa lateral (11) com respectivo O-Ring e tampa superior (1), com respectivo O-Ring ambas vedantes e de acesso à instalação dos circuitos impressos (2) e (3), do disco aletado (4), do motor de passo (5) e da extensão modificada do eixo do motor (6).

2. “ATUADOR ELETRÔNICO PARA ACIONAMENTO DE VÁLVULA PARA CONTROLE DE FLUXO” de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender essencialmente dois elementos distintos: válvula de controle acoplada ao atuador propriamente dito.

3. “ATUADOR ELETRÔNICO PARA ACIONAMENTO DE VÁLVULA PARA CONTROLE DE FLUXO” de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ter uma construção bi-partida com módulos independentes do atuador e válvula.

4. “ATUADOR ELETRÔNICO PARA ACIONAMENTO DE VÁLVULA PARA CONTROLE DE FLUXO” de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de permitir seu acoplamento a válvulas de diversos tipos munidas de eixo que possibilitam o acionamento da válvula mediante seu acionamento rotativo.

5. “ATUADOR ELETRÔNICO PARA ACIONAMENTO DE VÁLVULA PARA CONTROLE DE FLUXO” de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que seu elemento de acionamento é representado por um motor de passo convencional (5).

6. “ATUADOR ELETRÔNICO PARA ACIONAMENTO DE VÁLVULA PARA CONTROLE DE FLUXO” de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de seu motor de passo ter extensão de eixo modificada, no sentido axial, com extensor de eixo dentado (6).

7. “ATUADOR ELETRÔNICO PARA ACIONAMENTO DE VÁLVULA PARA CONTROLE DE FLUXO” de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que seu motor de passo é comandado por um controlador eletrônico que, em virtude das originais características de seu hardware e software, lhe possibilitam executar várias funções necessárias e inerentes a sistemas operacionais automatizados.

8. “ATUADOR ELETRÔNICO PARA ACIONAMENTO DE VÁLVULA PARA CONTROLE DE FLUXO” de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que seu controlador eletrônico possibilita que o motor possa atuar sobre o eixo da válvula de forma a possibilitar o seu controle gradativo com elevada resolução, alta repetitividade e excelente torque.

9. “ATUADOR ELETRÔNICO PARA ACIONAMENTO DE VÁLVULA PARA CONTROLE DE FLUXO” de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que ele disponha de comunicação serial "RS 485", protocolo "MODBUS- RTU"que possibilita a interligação de até vinte e cinco atuadores numa mesma rede.

10. “ATUADOR ELETRÔNICO PARA ACIONAMENTO DE VÁLVULA PARA CONTROLE DE FLUXO” de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que ele dispõe de funções de auto-diagnóstico que pode fornecer ao usuário informações sobre seu desempenho de forma que numa eventual falha de energia poderá ser configurado o modo de retorno para três opções: manutenção da posição corrente no momento da falha de energia (memória de posição), ou posicionamento totalmente aberta ou posicionamento totalmente fechado.

11. “ATUADOR ELETRÔNICO PARA ACIONAMENTO DE VÁLVULA PARA CONTROLE DE FLUXO” de acordo com a reivindicação 6 , caracterizado pelo fato de que através de sua função "auto-calibração” pode ser efetuado o ajuste de todo o curso do eixo da válvula ou seja de 0 a 100% de forma automática, sendo que esta função, iniciada via comando serial, é executada por ação do sistema motor, encoder e CPU/Controle.

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