MXPA01003444A - Sonda de medicion de presion diferencial, reductora de ruido - Google Patents

Abstract

Se propone una sonda para medir la presión diferencial, con una mejor relación señal a ruido. La sonda incluye una superficie para choques con cuando menos una abertura de ranura extendiéndose longitudinalmente, en comunicación con un primer pleno dentro del cuerpo de la sonda. Se selecciona el ancho de la abertura para que sea menor que el ancho de la porción inferior del primer pleno. Se proporciona una superficie no para choques con aberturas no para choques con el propósito de medir una segunda presión, de modo que se pueda medir la presión diferencial entre la superficie para choques y la superficie no para choques.

Description

SONDA DE MEDICIÓN DE PRESIÓN DIFERENCIAL, REDUCTORA DE RUIDO ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La industria de procesos emplea transmisores de las variables del proceso para monitorear variables del proceso asociadas con sustancias tales como sólidos, lechadas, líquidos, vapores, y gases en las plantas química, pulpa, petróleo, farmacéutica, alimento y otras plantas de procesamiento. Las variables del proceso incluyen presión, temperatura, flujo, nivel, turbidez, densidad, concentración, composición química y otras propiedades. Un transmisor del flujo hidráulico o fluido del proceso proporciona una salida relacionada al flujo hidráulico detectado del proceso. La salida del transmisor del flujo puede comunicarse por un bucle o circuito de control de procesos a un cuarto de control, o la salida puede comunicarse a otro dispositivo del proceso de modo que el proceso puede ser monitoreado y controlado. Se conoce la medición de la velocidad del flujo hidráulico en un conducto limitado modificando la geometría interna del conducto y aplicando un algoritmo a la presión diferencial medida en el fluido afluente. La geometría del conducto tradicionalmente se cambia alterando la sección transversal del conducto, tal como con un medidor Venturi, o por la inserción dentro del conducto de un dispositivo modificador del flujo tal como una placa con orificios, o un tubo Pitot promedial o parecido. Un tubo Pitot promedial generalmente incluye un cuerpo con forma achatada que ligeramente impide el flujo hidráulico dentro del conducto. Una limitante de algunos tubos Pitot promedíales es una relación señal a ruido relativamente inferior en los datos de presión diferencial que son medidos. El "ruido" en el contexto de un dispositivo para medir la presión diferencial, tal como un transmisor de flujo, es la desviación instantánea desde una presión promedio leida desde un punto de datos a otro. El ruido generado en un tipo de tubo Pitot de un sensor o detector de presión diferencial se origina en los sensores de presión de choque en el lado de la cara corriente arriba del tubo Pitot y en los puertos de presión para no choques generalmente en el lado corriente abajo del tubo Pitot. Como los transmisores de presión diferencial y los sistemas de adquisición de datos se han vuelto más sofisticados y sensibles, éstos también se han vuelto más sensitivos a y están cada vez más influenciados por el ruido generado por la unidad detectora de presión. Como consecuencia, las características de ruido de los dispositivos detectores de presión diferencial se ha vuelto un factor importante en su selección y operación. Asi, existe una necesidad de proporcionar un dispositivo detector de presión diferencial mejorado que tenga una mejor relación señal a ruido.

COMPENDIO DE LA INVENCIÓN Se proporciona una sonda para medir la presión diferencial con una relación señal a ruido mejorada. La sonda incluye una superficie para choques con al menos una abertura para choques prolongada que tiene un acho y un componente longitudinal. El ancho de la abertura para choques se selecciona para que sea menor que el ancho de una porción interior de un primer pleno o cámara impelente dentro de la sonda. Se proporciona una superficie no para choques con al menos una abertura no para choques para medir una segunda presión tal que se pueda medir la presión diferencial entre la superficie para choques y la superficie no para choques.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Las Figuras 1 y 2 son vistas esquemáticas de un sistema de medición del proceso ilustrando el ámbito de las modalidades de la invención.

La Figura 3 es un diagrama en bloques del sistema de medición del proceso 12. La Figura 4 es una vista en perspectiva fragmentada de una forma "T" del cuerpo achatado ilustrando las aberturas para choques de una modalidad de la invención.

La Figura 5 es una vista transversal tomada a lo largo de las lineas 3-3 de la Figura 4. Las flechas curvas muestran la dirección general del flujo hidráulico alrededor del cuerpo. La Figura 6 es una perspectiva fragmentada de otra modalidad mostrando una forma del cuerpo achatado de cara plana. La Figura 7 es una vista en perspectiva fragmentada de otra modalidad ilustrando una sección transversal substancialmente en forma de "V" para el cuerpo achatado de cara plana. La Figura 8 es una vista en perspectiva fragmentada de otra modalidad, que ilustra una sección transversal substancialmente en forma de "U" para el cuerpo achatado de cara plana. Las Figuras 9a -9f son vistas en planta de formas del cuerpo achatado con las cuales se pueden usar las aberturas para choques mejoradas de las modalidades de la invención. Las Figuras 10 y 11 son diagramas de presión contra tiempo ilustrando la reducción de ruido de las modalidades de la invención.

DESCRIPCIÓN DETALLADA A pesar de que la invención será descrita con referencia a modalidades especificas de las sondas para medir la presión diferencial, los trabajadores expertos en la técnica reconocerán que los cambios pueden hacerse en forma y detalle sin apartarse del espíritu y alcance de la invención, los cuales se definen por las reivindicaciones anexas. La Figura 1 es una vista esquemática del sistema de control de procesos 10 ilustrando un ejemplo de un ámbito de las modalidades de la invención. El sistema de medición de la presión 12 se acopla al cuarto de control 14 (moldeado como una fuente de voltaje y resistencia) a través del bucle de control de procesos 16. El bucle 16 puede utilizar cualquier protocolo apropiado para comunicar la información del flujo entre el sistema de medición 12 y el cuarto de control 14. Por ejemplo, el bucle de control de procesos 16 opera de acuerdo con un protocolo estandarizado de la industria del proceso tal como un High ay Addressable Remote Transducer (HART®) , FOUNDATION™ Fieldbus o cualquier otro protocolo apropiado.

La Figura 2 muestra una porción separada de un contenedor hidráulico del proceso tal como una tubería, o un conducto cerrado 18 dentro del cual se instala una sonda para medir la presión diferencial 20 del tipo de tubo Pitot promedial. El cuerpo achatado 22 abarca diametralmente el interior de la tubería 18. La flecha direccional 24 en la Figura 2 indica la dirección del flujo hidráulico en la tubería 18. Un múltiple o tubo colector hidráulico 26 y un transmisor de flujo 13 se muestran montados en el extremo exterior del tubo Pitot 20. El transmisor 13 incluye un sensor de presión 28 que se acopla de forma hidráulica a la sonda 20 a través de pasajes 30 (mostrados en lineas discontinuas en la Figura 2). La Figura 3 es un diagrama en bloques del sistema de medición de la presión diferencial 12. El sistema 12 incluye un transmisor de flujo 13 y una sonda para medir de presión diferencial 20. En algunas modalidades, el transmisor de flujo 13 y la sonda 20 pueden ser instalados en correspondencia para proporcionar una mejor exactitud, duración y diagnósticos para una aplicación para medir el flujo diferencial particular. El sistema 12 es acoplable al bucle de control de procesos tal como el bucle 16 y se adapta para comunicar una salida de la variable del proceso relacionada a una presión diferencial del flujo hidráulico dentro de la tubería 18. El transmisor 13 del sistema 12 incluye un comunicador • del bucle 32, sensor de presión 28, circuiteria de medición 34, y controlador 36. 5 El comunicador de bucle 32 se acopla a un bucle de control de procesos, tal como el bucle 16, y se adapta para comunicar sobre el bucle de control de procesos. La comunicación puede hacerse de acuerdo con cualquier protocolo estándar de la industria del proceso apropiado ^^ 10 tal como los protocolos descritos anteriormente. El sensor de presión 28 incluye un primer y segundo puertos 38, 40 que se acoplan a un primer y segundo pleno 42, 44 respectivamente a través de pasajes 30. El sensor 28 puede ser cualquier dispositivo que tenga una característica eléctrica que cambie en respuesta a los cambios en la presión aplicada. Por ejemplo, el sensor 28 puede ser un detector de la presión capacitiva, la capacitancia del cual cambia en respuesta a la presión diferencial aplicada entre los puertos 38 y 40. Si se desea, el sensor 28 puede incluir un par de elementos sensibles a la presión tal que cada pleno se acople a su propio elemento sensible a la presión. La circuiteria de medición 34 se acopla al sensor 28 y esta configurada para proporcionar una salida de sensor relacionada al menos a una presión diferencial entre los puertos 38 y 40. La circuiteria de medición 34 puede ser una circuiteria electrónica que puede proporcionar una señal adecuada relacionada a la presión diferencial. Por ejemplo, la circuiteria de medición puede ser un convertidor analógico a digital, un convertidor de capacitancia a digital o cualquier otra circuiteria apropiada. El controlador 36 se acopla a la circuiteria de medición y al comunicador del bucle 32. El controlador 36 esta adaptado para proporcionar una salida de la variable del proceso al comunicador del bucle 32, la salida esta relacionada a la salida del sensor proporcionada por la circuiteria de medición 34. El controlador 36 puede ser un Dispositivo Matriz de Compuerta, Programable (Programmable Gete Array), un microprocesador o cualquier otro dispositivo apropiado. Aunque el comunicador del bucle 32, la circuiteria de medición 34 y el controlador 36 se han descrito con respecto a módulos individuales, se contempla que éstos pueden combinarse tal como en un Circuito Integrado Especifico para la Aplicación (Application Specific Integrated Circuit, ASIC) . La sonda para medir la presión diferencial 20 está acoplada al transmisor 13 por medio de pasajes 30. Asi, el puerto 38 del sensor 28 esta acoplado a un primer pleno 42, mientras el puerto 40 del sensor 28 esta acoplado a un segundo pleno 44. Un "pleno" es un pasaje, un canal, un tubo o el similar dentro del cual el fluido de un carácter o presión particular se conduce o admite y a través del cual el fluido se conduce o transporta. El primer pleno 42 incluye al menos una abertura para choques prolongada 48 y esta dispuesto para comunicar presión desde la superficie para choques 46 de la sonda al puerto 38 del sensor 28. La abertura 48 incluye un componente longitudinal que, en algunas modalidades, puede ser lo suficientemente largo que la abertura 48 estará substancialmente alineada con el eje longitudinal del cuerpo achatado 22. Como se puede ver en las Figuras 2 y 4-8, la al menos una abertura para choques 48 puede tomar la forma de una ranura teniendo una anchura y un componente longitudinal más grande que el ancho. La ranura proporciona una reducción de ruido mejorada en la señal de presión total, y asi incrementa la relación señal a ruido del sistema de medición. Es importante que el ancho de la ranura sea menor que el ancho interior del pleno al cual se conecta. Las anchuras de ranura que van están en el rango desde 0.76 milímetros (0.030 pulgadas) a aproximadamente 6.35 milímetros (0.250 pulgadas) proporcionan resultados adecuados. Adicionalmente, pueden usarse una pluralidad de ranuras que pueden estar separadas entre si en forma longitudinal o lateral. El segundo pleno 44 incluye una superficie no para choques 50 separada desde la superficie para choques 46. La superficie no para choques 50 incluye al menos una abertura no para choques 52 dispuesta para comunicar presión desde la superficie no para choques via el pleno 44 al puerto 40 del sensor 28. La al menos una abertura no para choques 52 puede prolongarse y configurarse para tener un componente longitudinal similar a la abertura para choques 48, o la abertura 52 puede estar conformada de forma convencional como una abertura circular. Si no se necesita un segundo pleno, se puede proporcionar una derivación de presión, tal como en la pared de la tubería 18, la abertura no para choques 52 se dispone dentro de la tubería 18 para comunicar una presión no para choques al puerto 40. Por ejemplo, la abertura 52 puede estar dispuesta próxima a la pared interior de la tubería 18. Las Figuras 4 y 5 respectivamente, muestran una perspectiva fragmentada y unas vistas transversales de la porción del cuerpo achatado 22 del tubo Pitot 20. Como se ilustró, una sección transversal del cuerpo achatado 22 se asemeja a la letra "T", incluyendo una porción barra 54 que tiene una superficie para choques de punta roma substancialmente plana 46 en la "parte superior" de la letra "T". La sección transversal del cuerpo también ilustra la porción vastago 56 de la letra "T", • dependiendo del centro de la barra 54 y dispuesta generalmente perpendicular a esta. En la vista en 5 perspectiva del cuerpo achatado (Figura 4) el llamado "vastago" de la "T" se observa como una varilla extendiéndose de forma longitudinal 56 que se proyecta en una dirección corriente abajo desde el lado posterior de la barra de cara plana 54. Mientras el uso del cuerpo achatado en forma de "T" en conjunción con las ranuras para choque longitudinales proporcionan resultados favorables, usando tales ranuras para choque con otro cuerpo con forma achatada proporciona ventajas similares. Asi, la construcción de ranura también producirá ventajosas reducciones de ruido e integración de presión en un cuerpo achatado que tiene formas tradicionales de diamante, circular, abocinado, etc., como se ilustra en las Figuras 9a-9f. • En las diferentes modalidades de la invención, las aberturas para choques convencionales en la superficie para choques se reemplazan con una o más aberturas para choques prolongadas que tienen un componente longitudinal. Las aberturas para choques prolongadas, o las ranuras 48, proporcionan comunicación entre el fluido con presión total (choque) en el conducto 18 y el pleno 42. La presión de choque del flujo afluente se conduce desde el pleno 42 al puerto 38 del sensor de presión 28 dentro del transmisor de flujo 13. Opuesto a una pluralidad de aberturas circulares separadas, la 5 configuración de la ranura proporciona una reducción en el ruido asociado con la medición de la presión hidráulica alta, a condición de que la ranura sirva como la entrada a un pleno más amplio. Con el propósito de lograr la reducción de ruido, la ranura no deberla actuar • 10 como el pleno mismo. Por ejemplo, si la ranura en la cara de la barra es 0.8 milímetros (0.03 pulgadas) de ancho y el fluido de presión alta conduciendo al pleno es 3.2 milímetros (0.125 pulgadas) de ancho, existirá una proporción satisfactoria. Estas dimensiones y la proporción son solamente ejemplares y no deberían tomarse como restrictivas o limitantes. Mientras una modalidad de la invención utiliza una pluralidad de alineaciones en forma longitudinal y • orientadas longitudinalmente (con respecto a la longitud que abarca el diámetro del cuerpo achatado) las ranuras para choques que están dispuestas de forma central lateral en la cara para choques del cuerpo achatado (Figura 2), otras configuraciones están también contempladas. Por ejemplo, una ranura, que corre substancialmente a todo lo largo del cuerpo achatado es efectiva para lograr una reducción de ruido de presión alta. Una pluralidad de aberturas en ranura no alineadas que están orientadas de forma longitudinal también deberla proporcionar reducción de ruido. Una pluralidad de aberturas de ranuras paralelas que están orientadas de forma longitudinal también deberían proporcionar reducción de ruido. Más aún, las ranuras pueden estar ubicadas sobre la superficie para choques para proporcionar una indicación promedio de un tipo especifico de perfil de flujo hidráulico, tal como un flujo turbulento y laminar. Todavía además, el largo de la ranura puede variar con base en la posición de la ranura en la superficie para choques de modo que la presión para choques muestreada desde una abertura especifica pueda ser ponderada con base en la posición. Sin embargo, la orientación longitudinal de las aberturas de ranura, es decir, la orientación que es diametral, o cerca de la diametral, con respecto al conducto que porta el fluido, es importante si se mantiene la función de integración de las ranuras. Modalidades adicionales de la invención se muestran en las Figuras 6-8. En cada una, es una característica común que una o más ranuras para choques tengan un componente longitudinal. La diferencia primordial entre las modalidades alternativas y la modalidad descrita anteriormente es la forma del cuerpo achatado. Diseños diferentes resultan en variación de la forma y tamaño de las zonas de estancamiento del fluido. La selección de la forma o diseño particular del cuerpo achatado generalmente depende de varios factores relativos al ambiente de medición, tal como, por ejemplo, costo, el carácter del fluido, el intervalo de las velocidades del flujo hidráulico o el tamaño del conducto portador del fluido, entre otros. La Figura 6 describe una forma básica de un cuerpo achatado 22a, que tiene una extensión no reanexada o varilla saliente. Un cuerpo 70 esta proporcionado con una superficie para choques plana 72 que tiene al menos una ranura para choques angosta 48a que conduce el fluido de presión alta dentro del primer pleno 42a, a través del cuerpo achatado, y hacia la porción exterior del tubo Pitot y dentro del transmisor de flujo. Espacios limitados 44a en el interior del cuerpo comunican con las aberturas no para choques 52a y conducen el fluido de presión baja a través del cuerpo, dentro de la parte exterior del tubo Pitot, y dentro del transmisor de flujo. La provisión de la ranura para choques 48a en la cara del cuerpo achatado logra un incremento similar en la relación señal a ruido en la medición de presión alta como se encuentra en la modalidad en forma de "T" de las Figuras 4 y 5. La Figura 7 ilustra una forma de un cuerpo achatado 22b en forma de "V" que tiene una porción barra de cara plana 34b que esta orientado corriente arriba y esta provisto con una ranura angosta 48b extendiéndose de forma longitudinal y un primer pleno 42b. Otra modalidad de un cuerpo achatado 22c de la presente invención se muestra en la Figura 8. La diferencia primordial entre esta forma del cuerpo achatado y de la Figura 7 es que los segmentos 74c y 76c están posicionados de forma perpendicular al lado posterior de la barra 54c, formando una estructura que tiene una sección transversal lateral que se asemeja a la letra "U". Las Figuras 9a-9f son vistas en planta de varias configuraciones de cuerpo achatado en las cuales son útiles ranuras para choques. Las Figuras 10-11 son diagramas de presión contra tiempo que ilustran la reducción de ruido de las modalidades de la invención. La Figura 10 ilustra un diagrama de presión muestra de una sonda para medir la presión diferencial de acuerdo con la técnica anterior. La Figura 11 ilustra una gráfica de presión muestra medida desde una sonda incorporada en una ranura para choques como se muestra en las Figuras 2 y 4-8. Como se muestra en las Figuras 10 y 11, se puede lograr una apreciable reducción de ruido en un sistema para medir la presión diferencial. Por ejemplo, en la Figura 10, el ^ ruido de choque (representado por 2 veces la desviación estándar de la presión de choque dividida por la presión 5 de choque promedio) fue aproximadamente 6.50% mientras los resultados de la prueba mostrados en la Figura 11 indican un ruido de choque de aproximadamente 4.76%. Esta reducción de ruido de choque contribuye a una reducción de ruido de presión diferencial total desde 11.79% (de la técnica anterior) a un valor de aproximadamente 10.64% (para las modalidades de la invención) . Dicha reducción de ruido se encarga del cálculo más rápido de una indicación exacta de presión diferencial, asi proporcionando potencialmente control de proceso más efectivo.

Claims (19)

REIVINDICACIONES

1. Un sistema para medir la presión diferencial, que puede acoplarse a un bucle de control de procesos y adaptado para comunicar una salida de la variable del proceso relacionada con una presión diferencial de un flujo hidráulico dentro del conducto transportador de fluidos, el sistema comprende: un transmisor de la presión del proceso que incluye: un comunicador del bucle que puede acoplarse al bucle de control de procesos y adaptado para comunicación sobre el bucle de control de procesos; un sensor de presión que tiene un primer y segundo puertos de presión; circuiteria de medición acoplada al sensor de presión y configurada para proporcionar una salida del sensor relacionada con la presión diferencial entre la primera y segunda entrada de presión; y un controlador acoplado a la circuiteria de medición y al comunicador del bucle, el controlador adaptado para proporcionar una salida de la variable del proceso al comunicador del bucle, la salida de la variable del proceso relacionada con la salida del sensor; y una sonda para medir la presión diferencial adaptada que tiene una superficie para choques de fluido y para colocarse dentro del conducto transportador de fluidos, la sonda incluye: un primer pleno que tiene medios para acoplarse al primer puerto sensor de presión, el primer pleno tiene un ancho interno e incluye al menos una abertura longitudinal dispuesta para comunicar la presión hidráulica desde la superficie para choques al primer puerto sensor de presión, en donde el ancho de la abertura es menor que el ancho interno del primer pleno; y una superficie no para choques, separada de la superficie para choques, la superficie no para choques tiene al menos una abertura dispuesta en ésta para comunicar la presión del fluido desde la superficie no para choques al segundo puerto sensor de presión.

2. Una sonda para detectar la presión diferencial adaptada para la colocación parcial dentro de un conducto que tiene un fluido afluente en éste desde una posición corriente arriba a una posición corriente abajo, la sonda comprende : un cuerpo achatado que comprende al menos una primera cavidad interior y una superficie para choques con cara corriente arriba, al menos una abertura en la superficie para choques con cara corriente arriba estableciendo comunicación hidráulica entre el fluido afluente en el conducto y la primera cavidad interior, ésta con al menos una abertura que tiene una anchura y un componente longitudinal, donde la medida del componente longitudinal es mayor que el ancho.

3. La sonda para detectar la presión diferencial de la reivindicación 2, además comprende: al menos una segunda cavidad interna en el cuerpo achatado, al menos una superficie no para choques exterior, y al menos una abertura en la superficie no para choques estableciendo comunicación hidráulica entre el flujo afluente en el conducto y la segunda cavidad interna.

4. La sonda de la reivindicación 2, en donde al menos una abertura para choques incluye al menos un par de ranuras longitudinales.

5. La sonda de la reivindicación 4, en donde las ranuras longitudinales están separadas de forma lateral.

6. La sonda de la reivindicación 4, en donde las ranuras longitudinales están separadas de forma longitudinal .

7. La sonda de la reivindicación 3, en donde la al menos una abertura de la superficie no para choques incluye al menos una ranura extendiéndose en el sentido longitudinal .

8. La sonda de la reivindicación 2, en donde la al menos una abertura para choques esta posicionada para medir un promedio de flujo de un flujo laminar.

9. La sonda de la reivindicación 2, en donde la al menos una abertura para choques esta posicionada para medir un promedio de flujo de un flujo turbulento.

10. La sonda de la reivindicación 4, en donde la longitud de cada abertura para choques se basa en la posición de la abertura en la superficie para choques.

11. La sonda de la reivindicación 2, en donde el al menos un choque abarca substancialmente todo el diámetro interno del conducto.

12. Un fluidimetro para medir el Índice de fluido afluente desde una localización corriente arriba a una localización corriente abajo en un conducto, que comprende: una sonda para detectar la presión diferencial que tiene una superficie de cara corriente arriba y adaptada para estar situada de forma diametral dentro del conducto, medios sensores de presión situados en el exterior del conducto, primeros medios para conducir la presión hidráulica interconectando la sonda detectora y los medios sensores de presión, los primeros medios de conducción incluyen al menos una abertura que conduce fluido teniendo un componente ancho y uno longitudinal, en donde la medida del componente longitudinal es mayor que el ancho.

13. El fluidimetro de la reivindicación 12, en donde la al menos una abertura conductora de fluido es una ranura prolongada en la superficie de cara corriente arriba de la sonda detectora.

14. El fluidimetro de la reivindicación 12, en donde la al menos una abertura conductora de fluido es una de una pluralidad de ranuras alineadas longitudinalmente e individual y longitudinalmente dominantes en la superficie de cara corriente arriba de la sonda detectora.

15. El fluidimetro de la reivindicación 12, además incluye : segundos medios para conducir la presión hidráulica interconectando la sonda detectora y los medios sensores de presión, dichos segundos medios conductores incluyen al menos una abertura conductora de fluido.

16. El fluidímetro de la reivindicación 15, en donde la primera presión hidráulica es la presión total del fluido afluente en el conducto y la segunda presión hidráulica es la presión estática del fluido afluente en el conducto .

17. El fluidimetro de la reivindicación 12, en donde al • menos una abertura conductora de fluido esta orientada corriente arriba. 5

18. Un método de medición de la presión hidráulica diferencial en un conducto transportador de fluidos desde una localización corriente arriba a una localización corriente abajo, que comprende: la admisión del fluido afluente a un pleno conductor 10 de fluidos a través de una ranura longitudinalmente dominante en una superficie de cara corriente arriba de un cuerpo achatado insertado dentro del fluido afluente para medir la presión total del fluido detectar la presión estática del fluido transportado 15 por el conducto, y comparar la presión estática detectada con la presión total medida.

19. El método de la reivindicación 18, en donde el ruido de presión diferencial total es menor que 11% de la 20 presión diferencial calculada. H^ íÉdi tfuÉ