PT93035B

PT93035B - Medidor de caudal de fluidos

Info

Publication number: PT93035B
Application number: PT93035A
Authority: PT
Inventors: Michael Langley Sanderson; John Rymer Heritage
Original assignee: Sev Trent Water Ltd
Priority date: 1989-02-01
Filing date: 1990-02-01
Publication date: 1996-07-31
Also published as: JPH02234022A; PT93035A; CA2009133A1; GB8902173D0; WO1992002785A1; AU622755B2; NO900448D0; NO173900C; NO900448L; HU9300223D0; CA2009133C; ES2043266T3; AU4890790A; NO173900B; US5063786A; JP2860130B2; DE69002249T2; DK0381344T3; EP0381344B1; DE69002249D1

Description

DESCRIÇÃO

DA

PATENTE DE INVENÇÃO

N.°

035

REQUERENTE: SEVERN TRENT WATER LIMITED, britânica,indus trial,com sede em 2297 Coventry Road,Birmin gham B26 3PU, Inglaterra, Reino Unido Unido.

EPÍGRAFE:

” MEDIDOR DE CAUDAL DE FLUIDOS

INVENTORES: Michael Langley Sanderson e John Rymer Heritage.

Reivindicação do direito de prioridade ao abrigo do artigo 4.° da Convenção de Paris de 20 de Março de 1883.

Reino Unido com o n⁹. 8902173.7 em 01 de Fevereiro de 1989.

INPI MOO 113 RF 16732

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PATENTE N2. 93 035

Medidor de caudal de fluidos para que

SEVERN TRENT WATER LIMITED, pretende obter privilégio de invenção em Portugal.

RESUMO

O presente invento refere-se a um medidor de caudal de fluidos do tipo oscilador fluidico e apropriado para líquidos condutores de electricidade, por exemplo para medir abastecimentos domésticos de água, compreendendo um oscilador de realimentação com imanes (8,9,12,13) criando um campo magnético através de, pelo menos, um dos percursos de escoamento e um par de eléctrodos (10,11,14,15,16) detectando a diferença de potencial resultante através do percurso de escoamento. A frequência do sinal detectado dá uma medida do caudal e um contador de ciclos dará o caudal total num determinado periodo.

}A ,D ΚΘ 14

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MEMORIA DESCRITIVA

Este invento refere-se a um medidor de caudal para medir o caudal de líquidos e operar segundo o oscilador fluidico.

para fluidos principio do

É bem sabido que a frequência de oscilação de um oscilador fluidico depende (ainda que não necessariamente de uma forma linear) da quantidade de caudal que flui através dele. Isto tem sido proposto como uma base para a medição de caudal tanto de líquidos como de gases. No entanto, não é de maneira nenhuma um modo simples, especiaimente quando a medição tem de ser rigorosa, dentro de um ou dois por cento numa larga gama, e onde a pressão do fluído pode variar substancialmente.

Uma	das maneiras de	detectar	as	oscilações	tem sido,	em
propostas	prévias,	através do uso	de	sensores	de pressão	ou
sensores	térmicos.	Os	sensores	de	pressão	podem operar

electromagneticamente, por exemplo por resposta ao movimento de uma esfera cativa oscilando num canal ou ranhura, colocada entre os dois canais de escoamento.

Um problema particular levanta-se na medição do consumo de água, em que pode ser necessário manter o rigor da medida com uma razão de caimento com uma ordem de grandeza de 200 para 1. Apesar de que nesse caso, a velocidade variará numa gama correspondente de 200 para 1, as variações de pressão a serem detectadas variarão, para a mesma gama de caudais, de um factor de 40 000 para 1. É quase impossível manter qualquer grau de rigor numa gama de detecção tão grande de pressão, usando um único sensor de pressão.

Em consequência é desejável detectar as oscilações, não por meios que respondem à pressão, mas por qualquer meios em que a amplitude do sinal é dependente da velocidade, em vez de ser da pressão, ou das mudanças nas condições do fluido de modo a que a gama dinâmica do sinal de detecção é apenas da mesma ordem que a do escoamento do fluido.

Uma outra desvantagem das propostas conhecidas é que elas normalmente necessitam de energia externa para os meios de

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-3detecção, pelo menos, quando estes meios são eléctricos.

Ao mesmo tempo existe um forte incentivo para substituir os medidores mecânicos de água existentes, que possuem partes que são desgastadas e estão sujeitas a corrosão, bem como ao desgaste e mais ainda com a necessidade crescente de leituras telemétricas, eles necessitam da adaptação de meios de detecção eléctricos separados, tais como interruptores de palheta, para produzir um sinal eléctrico que pode ser pósteriormente tratado. Tais interruptores envolvem um fornecimento externo de energia e uma caixa com o equipamento eléctrico lado a lado com o medidor mecânico e separada dele.

Uma outra desvantagem dos medidores mecânicos conhecidos é a falta de linearidade para baixas velocidades de escoamento, tal como acontece no uso doméstico, principalmente como resultado do atrito estático entre as partes que se movem.

Um objectivo do invento é então proporcionar uma forma melhorada de um medidor de caudal de oscilador fluidico, capaz de tratar uma gama de caimento muito grande e requerendo um minimo de energia. Um outro objectivo é conseguir uma linearidade adequada através de toda a gama sem requerer circuitos de correcção complexos nem a tabelas de consulta.

De acordo com um aspecto do invento propomos que as oscilações num medidor de caudal de líquidos de oscilador fluidico devam ser detectadas electromagneticamente por aplicação de um campo magnético através do escoamento e detectando a força electromotriz gerada no próprio liquido através de um par de eléctrodos convenientemente colocados. O líquido deve, obviamente, possuir condutividade eléctrica suficiente, mas esta pode ser muito pequena, dado que o que está a ser detectado é apenas uma diferença de potencial e não é necessário um fluxo significativo de corrente eléctrica.

Um líquido muito apropriado é a água comum e o invento é particularmente valioso na medição de abastecimentos domésticos de água, dado que envolve razões de caimento elevadas e o rigor das medições tem de estar de acordo com certos requisitos

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estatutórios. Outras vantagens do invento para este uso particular, são o baixo custo, ausência de manutenção (dado que não existem partes móveis no escoamento do liquido) e requisitos mínimos de energia. Não há de facto necessidade de energia para o sensor em si dado que a força electromotr iz é gerada pelo efeito indutivo electromagnético, portanto a única energia requerida é a necessária para os meios envolvidos na amplificação e tratamento do sinal gerado.

De acordo com uma outra caracteristica do invento existem, pelo menos, dois pares de eléctrodos e eles podem ser ligados em equilíbrio, de modo efectivo, para dobrar o sinal, e ligando-os, os erros diferenciais, por exemplo devidos a alterações no potencial electroquimico dos eléctrodos devido a flutuações de pressão estática, podem ser eliminados. Eles podem estar no percurso principal de escoamento ou nos percursos de realimentação ou em ambos.

oscilador fluidico pode ser, geralmente, de um tipo conhecido, embora, de preferência, o repartidor seja uma parede transversal, em vez de um gume de lâmina, dado que este dá oscilações com maior rigor numa maior gama de caudais envolvidos.

campo ou os campos magnéticos são, de preferência, gerados por ímans permanentes (portanto não envolvendo fornecimento de energia) e podem ser moldados na caixa do oscilador durante o fabrico. Se os ímans forem feitos de um material electricamente não condutor, tal como ferrite ligada por plástico, as suas superfícies podem fazer parte das paredes dos canais, mantendo portanto as folgas magnéticas tão pequenas quanto possível.

De acordo com um outro aspecto deste invento, que também pode ser aplicado a medidores de caudal de fluidos que usam meios de detecção, que não sejam os meios electromagnéticos atrás descritos, a linearidade, em particular para caudais muito baixos, é melhorada por modificação do pulverizador de entrada que, em vez de ter a secção transversal rectangular usual, é alargada no topo ou na base, ou em ambas (sendo os termos topo e base definidos pensando no plano de simetria vertical do

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-5oscilador). O alargamento pode ser feito por passos, dando a secção transversal o perfil de um T ou de um T, como se tornará claro mais adiante.

Um exemplo de um medidor de caudal com oscilador fluídico apropriado para medir abastecimentos domésticos de água está representado nos desenhos juntos, nos quais:

Figura 1 é um corte longitudinal, através de um medidor, no seu eixo principal;

Figura	2	é	um	corte	transversal	pela	linha	A-A	na	figura	1;
Figura	3	é	um	corte	transversal	pela	linha	B-B	na	figura	1;
Figura	4	é	um	corte	transversal	pela	linha	C-C	na	figura	i;
Figura	5	é	um	corte	transversal	pela	linha	D-D	na	figura	1,

mostrando uma modificação;

Figura 6 é um gráfico da frequência de oscilação em função do caudal, mostrando os resultados dos testes de calibração e que representa as vantagens da modificação na figura 5.

O oscilador fluídico representado na figura 1 é de um tipo basicamente conhecido, como um corpo 1 contendo uma agulheta de entrada 2 de secção transversal rectangular, conduzindo para um par de canais 3 e 4 separados por um repartidor 5 que neste caso é uma base plana transversal ao escoamento. Os circuitos fechados de realimentação 6 e 7 dos canais principais reconduzem para lados opostos do percurso do fluido, adjacente à agulhete de entrada 1. Como é bem sabido, o escoamento do fluido juntar-se-à ã parede de um dos canais pelo efeito de Coanda, mas ai como resultado da acção de realimentação de fluido, ele comutará para a outra parede, comutando repetidamente para trás e para diante a uma frequência dependente da velocidade de escoamento. Isto é o que se chama de oscilador de realimentação. Um outro tipo conhecido é um oscilador de relaxação, cuja operação é análoga a um oscilador de funcionamento livre muitivibrador ou de relaxação, mas o presente invento aplica-se principalmente a um oscilador de realimentação, dado que os osciladores de relaxação conhecidos são menos estáveis.

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-6Num caso típico a frequência pode variar numa gama entre 0,15 e 30 Hz para uma gama de caudal entre 0,15 litro por minuto e 30 litros por minuto, assumindo que as dimensões e caracteristicas são tais que produzem 60 ciclos por cada litro de água que passa.

Para se obter a detecção de acordo com o invento montam-se ímans permanentes nas paredes dos canais de modo a produzir campos magnéticos através dos percursos de escoamento da ãgua. Na versão mais simples seria suficiente ter um único campo num único canal, mas na prática, pelas razões dadas abaixo, existe mais de um.

Os imans 8 e 9 formam parte das paredes dos canais 2 e 3 respectivamente. Entre eles produzem um campo, através de ambos os canais, e à medida que o caudal de água comuta entre um canal e o outro, a mudança na velocidade da água produz por sua vez uma força electromotriz perpendicular ao caudal e ao campo, sendo esta força electromotr iz detectada no canal 2 por um par de eléctrodos 10 e no canal 3 por um par de eléctrodos 11, cuja disposição é mostrada na figura 3.

Deve ser notado que a voltagem que aparece através dos dois pares de eléctrodos será alternada e que se eles estiverem ligados num circuito de equilíbrio será obtido um sinal de amplitude dupla.

No exemplo ilustrado existem também pares de ímans 12 e 13 que produzem campos através dos circuitos fechados de realimentação 6 e 7 e as forças electromotrizes resultantes são captadas por pares de eléctrodos 14 e 15. Estes podem ser usados em vez daqueles no canal principal, isto é, não é necessário ter ambos os conjuntos, mas providenciando ambos e medindo a razão das grandezas destes dois sinais é possível compensar, pelo menos, em primeira ordem, a ausência de linearidade no factor de medida como função da velocidade de escoamento.

Os ímans podem ser de um tipo conhecido e disponível comercialmente, por exemplo de samário e cobalto, mas dado que estes imans sinterizados são electricamente condutores é necessário isolá-los da água nos canais de modo a impedir que

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-7JK« C eles curto-circuitem as forças electromotrizes geradas. Se o corpo 1 for de plástico moldado isto não é difícil de conseguir, dado que o plástico pode ser moldado à volta dos imans, mas significa que as folgas magnéticas são maiores que o necessário, tornando os campos muito mais fracos. É portanto preferível usar um material magnético electricamente isolado, tal como ferrite ligada por plástico e expor os imans ao caudal, tornando as folgas magnéticas iguais à largura dos canais de escoamento.

Se for necessário um campo com uma força maior do que a que pode ser produzida por imans espaçados individuais podem usar-se circuitos magnéticos semi-fechados, isto é, imans em ferradura ou imans externamente colocados com ferraduras polares colocadas nas posições dos imans mostrados nas figuras. Toda a região entre cada canal principal e o circuito fechado de realimentação adjacente pode ser formada por um iman.

Nos circuitos fechados de realimentação a linha que une os eléctrodos está no meio do percurso de escoamento, mas nos canais principais está tão perto quanto possível da parede, como é mostrado na figura 3. A voltagem gerada no circuito fechado de realimentação tende a ser mais pequena que a gerada no canal principal porque embora haja um campo mais forte que na agulheta principal, resultante de um percursor de escoamento mais pequeno, a velocidade da agulheta principal é significativamente mais elevada que a velocidade do fluido no circuito fechado de realimentação. A redução do sinal induzido na agulheta principal significa que as forças electromotrizes geradas na agulheta principal são,tipicamente, maiores que as induzidas nos circuitos fechados de realimentação apenas por um factor 2.

No exemplo representado existem também eléctrodos 16 e campos magnéticos produzidos por imans 17 e 18 no percurso de saída para o fluido. O iman central 18 forma um divisor que mantém os dois percursos ainda separados neste ponto. No entanto isto é apenas uma alternativa possível aos sensores nos canais principais e/ou aos circuitos fechados de realimentação e não é geralmente necessário proporcionar todos os três conjuntos de eléctrodos simultaneamente. De facto, como indicado atrás, um

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-8único campo e um único par de eléctrodos são suficientes para porem o invento a funcionar.

Como será visto nas figuras 2 e 3 os sinais dos dois circuitos fechados de realimentação são alimentados às entradas inversoras e de não inversoras de um amplificador diferencial ligando-os de modo efectivo em equilíbrio e aqueles do canal principal são ligados a outro amplificador operacional. As saidas destes amplificadores podem ser combinadas da maneira que pareça melhor, por exemplo a razão entre elas é um sinal que é independente de muitos factores externos.

processamento posterior dos sinais não é alvo da nossa preocupação aqui; é suficiente dizer que se obtêm sinais de uma amplitude inicial tão grande quanto possível (é tipicamente da ordem dos 2 a 400 microvolts) e mede-se a sua frequência como uma indicação da velocidade de escoamento e/ou conta-se o número total de ciclos num período para dar uma medida do caudal total. Se a relação entre a frequência e a velocidade de escoamento não for suficientemente linear na gama requerida o instrumento pode ser calibrado e o resultado da calibração pode ser usado para programar um circuito de correcção, de facto uma série de tabelas de consulta, através das quais o sinal é passado para produzir uma imagem final representando o escoamento do fluido. Isto pode ser concretizado numa micropastilha que pode ser montada dentro ou na caixa do instrumento, e todo o instrumento, incluindo as suas capacidades eléctricas de registo de dados, está contido nela. À medida que o sinal dos eléctrodos é gerado pelo próprio escoamento, não é necessária uma fonte externa de voltagem, e o único fornecimento de energia requerido é o necessário para os circuitos de tratamento de sinal. Esta necessidade muito pequena pode ser satisfeita por uma bateria montada no instrumento e tendo uma vida útil medida em anos.

No entando, o uso de circuitos de correcção é indesejável e é melhor, se possível alcançar a linearidade na gama desejada directamente pelo projecto inerente. A figura 6 é um gráfico de testes de calibração no qual o número de impulsos ou ciclos por litro de caudal é representado em função da velocidade de

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-9escoamento. A escala horizontal é logaritmica cobrindo desde 0,001 litro por segundo a 1 litro por segundo. Idealmente os pontos deveriam sítuar-se numa única linha horizontal. 0 gráfico revela que com uma agulheta de 3 mm de largura, pelo menos para caudais maiores que 0,05 litro por segundo, a velocidade de pulsação por litro está dentro de 2% de um número médio de 68 165, mas para caudais baixos ele cai muito rapidamente para cerca de 57 pulsações por litro a um caudal de 0,0035 litro por segundo. Deve ser lembrado aqui que estamos preocupados apenas com a frequência do oscilador fluidico e isto não tem nada a ver com a maneira como ela é detectada, seja ela electromagnética (como foi descrito anteriormente) ou uma das maneiras conhecidas.

A figura 5 mostra uma maneira possível que foi encontrada para melhorar a linearidade da resposta, em particular para caudais baixos. Em vez da agulheta de entrada ser de secção transversal rectangular plana, ela é alargada no topo e na base pra formar uma secção em I; pode ser suficiente alargá-la apenas num dos extremos. Ao mesmo tempo a sua largura pode ser diminuída. A figura 6 mostra o melhoramento substancial obtido com uma agulheta que tem 2 mm de largura, mas tem ranhuras laterais no topo e na base na maneira mostrada na figura 5. A resposta é linear dentro de 2¾ até 0,004 litro por segundo e dentro de 5¾ até 0,003 litro por segundo.

A razão para este melhoramento não é presentemente completamente compreendida, mas crê-se que para caudais baixos os percursos no topo e na base da agulheta proporcionam uma fonte de caudal adicional à que existe no circuito fechado de realimentação para provocar a comutação da agulheta. Para caudais mais altos a impedância dos percursos no topo e na base da agulheta para caudais flutuantes é tal que o percurso não pode proporcionar o caudal adicional. Este mecanismo tem o efeito de aumentar a velocidade de comutação para caudais baixos.

Claims

REIVINDICACÕES

1 - Medidor para medir o caudal de líquidos condutores de electricidade e capaz de operar como um medidor de abastecimento de água doméstico compreendendo um oscilador fluídico de realimentação do tipo que tem um jacto de entrada (2) , um canal de entrada, um divisor (5), que divide o escoamento do canal de entrada em primeiro e segundo canais principais (3, 4) um canal de realimentação que conduz de cada canal principal para os respectivo lados opostos do canal de entrada (2) , caracterizado por compreender adicionalmente meios (8,9,12,13,17,18), que compreendem, pelo menos, um magneto permanente para produzir um campo magnético, através de, pelo menos, um canal, no qual o escoamento varia com uma frequência taxa dependente do escoamento, um primeiro par de eléctrodos (10,11,1.4,15,15), colocados para detectar a diferença de potencial resultante, gerada no líquido na direcção transversal ao escoamento e ao campo magnético, e meios para medir a diferença de potencial e/ou contar os ciclos de oscilação do escoamento.
2 - Medidor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os eléctrodos (10, 11, 16) estarem colocados num dos canais principais.
3 - Medidor de acordo com a reivindicação l, caracterizado por os eléctrodos (14, 15) estarem colocados, pelo menos, num dos canais de realimentação.
4 - Medidor de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por um segundo par de eléctrodos (10,11 ou 14,15 ou 16) estar colocado num segundo dos canis, segundo canal que tem também tem um campo magnético através do mesmo.
5 - Medidor de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por o primeiro e o segundo pares de eléctrodos detectarem a diferença de potencial em canais, nos quais as variações de escoamento em sentidos opostos e os pares de eléctrodos estão ligados num circuito de equilíbrio.

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-116 - Medidor de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado o magneto estar embebido nas paredes do invólucro do medidor e estar electricamente isolado do fluido em escoamento em qualquer um dos canais.
7 - Medidor de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 - 5, caracterizado por o magneto ser formado de material electricamente não condutor e fazer parte da parede de um dos canais.
8 - Medidor de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado por a secção transversal do jacto de entrada ser geralmente rectangular e e ser alargardo para fora lateralmente, pelo menos, numa extremidade para formar, para formar uma secção transversal com a forma de I ou de T.