BRPI0418687B1 - fluxímetro coriolis e método de operação do mesmo - Google Patents

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Abstract

método e aparelho para o equilíbrio de forças um fluxímetro coriolis compreendendo um par de tubos de fluxo (301, 302),um sistema de transmissão (d) compreendendo um coponente de bobina (l) e um componente de íma (m) dimensionados e localizados de tal modo que o momento do componente de bobina seja igual e oposto ao momento do componente de íma.

Description

“FLUXÍMETRO CORIOLIS E MÉTODO DE OPERAÇÃO DO MESMO” FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO 1. Campo da Invenção [001] A presente invenção refere-se ao equilíbrio de forças em um fluxímetro Coriolis. 2. Apresentação do Problema [002] Os sensores de tubo de fluxo de vibração, como, por exemplo, os fluxímetros de massa Coriolis, tipicamente operam por meio da detecção do movimento de um tubo de fluxo (ou tubos) de vibração que contém um material. As propriedades associadas ao material no tubo de fluxo, como, por exemplo, a fluxo de massa e densidade podem ser determinadas por meio do processamento de sinais dos transdutores de movimento associados ao tubo de fluxo. Os modos de vibração do sistema enchido com material de vibração de modo geral são afetados pelas características combinadas de massa, rigidez e amortecimento do tubo de fluxo de contenção e do material contido no mesmo.
[003] Um fluxímetro de massa Coriolis típico pode incluir dois tubos de fluxo conectados em linha em uma tubulação ou outro sistema de transporte e material de transporte, por exemplo, fluidos, massas fluidas, ou coisa do gênero, no sistema. Cada tubo de fluxo pode ser visto como tendo um conjunto de modos de vibração naturais, incluindo, por exemplo, os modos de curvatura simples, torcionais, radiais e acoplados. Em uma aplicação de uma medição de fluxo de massa Coriolis típica, dois tubos de fluxo em forma de U orientados paralelos um ao outro são excitados de modo a vibrar sobre seus nós de extremidade em um primeiro modo de curvatura fora de fase. Os nós de extremidade nas extremidades de cada tubo definem o eixo de curvatura de cada tubo. Existe um plano de simetria intermediário entre os tubos de fluxo. No modo mais comum de vibração, o movimento dos tubos de fluxo é uma curvatura periódica na direção um do outro ou para fora um do outro sobre o plano de simetria. A excitação é tipicamente provida por meio de um atuador, por exemplo, por um dispositivo eletromecânico, tal como um transmissor de voz do tipo bobina, que empurra os tubos de fluxo periodicamente em oposição de fase na frequência ressonante dos tubos.
[004] Conforme o material flui através dos tubos de fluxo de vibração, o movimento dos tubos de fluxo é medido por transdutores de movimento (normalmente chamados de transdutores de coleta) nos pontos espaçados ao longo do tubo de fluxo. A proporção de fluxo de massa pode ser determinada ao se medir o atraso de tempo ou as diferenças de fase entre os movimentos nos locais do transdutor de coleta. A magnitude do atraso de tempo é muito pequena; com frequência medida em nanossegundos. Sendo assim, é necessário que a saída do transdutor de coleta seja muito precisa.
[005] A precisão do fluxímetro de massa Coriolis transdutor pode ser comprometida pelas não linearidades e assimetrias na estrutura do medidor ou pelo movimento indesejado oriundo de forças externas. Por exemplo, um fluxímetro de massa Coriolis tendo componentes desequilibrados pode provocar a vibração externa de sua caixa e da tubulação anexa na frequência de transmissão do medidor. O acoplamento entre a vibração desejada do tubo de fluxo e a vibração externa indesejada de todo o medidor significa que o amortecimento da vibração externa do medidor amortece a vibração do tubo de fluxo, e que uma montagem rígida do medidor aumenta a frequência do tubo de fluxo, enquanto uma montagem leve do medidor abaixa a frequência do tubo de fluxo. A mudança de frequência de tubo de fluxo em função da rigidez da montagem foi experimentalmente observada nos medidores com alta amplitude de vibração externa. Isto vem a ser um problema, uma vez que a frequência do tubo de fluxo é usada para determinar a densidade do fluxo. A frequência é também uma indicação da rigidez dos tubos de fluxo. As mudanças de rigidez nos tubos de fluxo devido à rigidez da montagem modificam o fator de calibração do medidor. O acoplamento direto entre a vibração do motor e o ambiente local (a vibração via externa) também resulta em um sinal zero instável (um sinal de fluxo quando nenhum fluxo se encontra presente).
[006] A vibração externa indesejada atrapalha o sinal de saída do medidor em uma quantidade que depende da rigidez e do amortecimento da montagem. Uma vez que as características da montagem são, de modo geral, desconhecidas e podem mudar com o passar do tempo e com a temperatura, os efeitos dos componentes desequilibrados não podem ser compensados, e podem, de forma significativa, afetar o desempenho do medidor. Os efeitos destas vibrações desequilibradas e variações de montagem são reduzidos ao se usar desenhos de fluxímetro que sejam equilibrados.
[007] A vibração equilibrada apresentada acima tradicionalmente envolve apenas uma única direção da vibração: a direção Z. A direção Z é a direção na qual os tubos de fluxo se deslocam conforme vibram em oposição de fase. Esta é, com frequência, chamada a direção do motor. Outras direções podem incluir a direção X ao longo da tubulação e a direção Y perpendicular às direções Z e X. Este sistema coordenado de referência é importante e será repetidamente mencionado.
[008] Existem ainda fontes secundárias de vibração indesejada na direção Y resultante da geometria de tubo. A geometria de tubo é normalmente configurada de modo que o movimento dos centros de massa dos tubos seja na direção um do outro ou para fora um do outro sobre o plano de simetria. Deste modo, o momento da oscilação das massas de tubo (e de fluido) é cancelado em sua maior parte. A fim de evitar o movimento Y dos centros de massa do tubo, cada centro de massa deve se assentar sobre o seu respectivo plano, incluindo o seu eixo de curvatura, e fica paralelo ao plano de simetria. Estes planos serão referidos como os planos de equilíbrio. Se o plano de simetria for vertical, os centros de massa devem ficar diretamente acima dos eixos geométricos de curvatura a fim de garantir o cancelamento desta vibração de direção Y.
[009] Existe também uma força de vibração secundária na direção Y resultante do transmissor, dos transdutores de coleta, e de outras massas anexas à porção de vibração dos tubos de fluxo. A soma destes componentes de vibração adicionais será referida, para fins de simplicidade, como os componentes de vibração. Quando o centro de massa dos componentes de vibração anexos a cada tubo de fluxo se desvia do plano de equilíbrio daquele tubo, é gerada uma força de vibração na direção Y. Isto porque o movimento de curvatura dos tubos tem um componente de rotação. Quando a massa do transmissor se desloca do plano de equilíbrio na direção Z, o componente rotacional do movimento de tubo faz com que a massa do transmissor apresente um componente de movimento na direção Y. A fonte do movimento na direção Y pode ser entendida pela visualização de um desvio extremo de uma massa. Quando uma massa se desloca do plano de equilíbrio em um ângulo de 45 graus (tomado a partir do eixo de curvatura), o componente de movimento rotacional faz com que a mesma se movimente igualmente nas direções Y e Z conforme vibra. Massas de desvio iguais nos dois tubos de vibração equilibram as forças na direção Z, mas não na direção Y.
[010] A Patente EP 1 248 084 A1 apresenta uma solução para os problemas das vibrações Y por meio da fixação de uma massa de desvio no lado oposto de um tubo de fluxo como a massa do transmissor de modo a colocar o centro de massa combinado no plano de equilíbrio do tubo.
[011] As forças de vibração desequilibradas secundárias podem também ser geradas na direção Z mesmo quando as massas são iguais e se localizam nos planos de equilíbrio dos tubos de fluxo. Estas forças, matéria da presente invenção, são geradas quando as massas anexadas aos tubos de fluxo possuem momentos de inércia desiguais sobre as linhas que conectam cada um dos nós de extremidade dos respectivos tubos (doravante referidos como eixos geométricos de curvatura).
Sumário da Solução [012] A presente invenção aperfeiçoa o equilíbrio da estrutura de fluxímetro Coriolis ao desenhar os componentes de vibração de modo que o momento de inércia de cada componente fique igual ao momento de inércia do outro componente de transmissor. A expressão para o momento de inércia de um objeto é: I = Sr · dn = MR2(4) no qual: I = o momento de inércia m = massa r = a distância a partir do eixo de rotação do componente para o incremento de massa an M = a massa total do componente R = O raio de giro do componente.
[013] O momento de inércia é grandemente afetado pelo termo de distância r) que é um termo ao quadrado. Para um transmissor de um fluxímetro Coriolis, o eixo de rotação é desconhecido, uma vez que os tubos se curvam ao invés de girar. Felizmente, uma vez que a geometria do medidor é simétrica (massas iguais em iguais posições), a escolha do eixo de rotação não importa. O teorema do eixo paralelo diz que o momento de inércia sobre um eixo é igual ao momento de inércia sobre um eixo paralelo através do centro de massa mais a massa vezes a distância entre os dois eixos geométricos ao quadrado. Quando se define os momentos de inércia dos dois componentes de transmissor sobre eixos geométricos simétricos arbitrários iguais, em seguida as distâncias a partir dos eixos geométricos arbitrários para o centro das massas dos componentes de transmissor são iguais, e, com as massas iguais, o termo do eixo se cancela. Isto significa que para definir os momentos de inércia dos componentes de transmissor iguais, precisa-se somente localizar os centros de massa simetricamente e colocar os momentos de inércia sobre os centros de massa iguais um ao outro.
[014] Os componentes do transmissor e da bobina, incluindo seus elementos de montagem, são fabricados de uma maneira distribuída de modo que a massa do ímã e seus elementos de montagem seja igual à massa da bobina e seus elementos de montagem. Além disso, o ímã e seus elementos e a bobina e seus elementos são configurados e montados de modo que seus centros de massa, quando combinados com seus respectivos centros de massa de tubo, fiquem nos planos de equilíbrio dos tubos. Seus momentos de inércia sobre seus centros de massa são também produzidos para serem iguais. A fabricação dos dois elementos (bobina e ímã) de massa igual e a localização dos centros de massa combinados no plano de equilíbrio contribui para uma redução das vibrações indesejadas dentro do fluxímetro. A fabricação dos dois componentes de momentos iguais de inércia contribui para uma maior redução de vibração indesejada.
[015] Às vezes, no entanto, é difícil definir os momentos de inércia dos componentes sobre seus centros de massa iguais. Nestes casos, pode-se usar um método alternativo. Uma vez que tanto a massa como o momento de inércia prejudicam o equilíbrio do medidor na direção Z, um pequeno momento de inércia para um tubo poderá ser equilibrado por meio de uma massa maior naquele mesmo tubo. Esta técnica, em essência, usa o teorema de eixo para equilibrar os momentos de inércia sobre o eixo de rotação (em sua presumida posição).
[016] Em suma, pode-se observar que o transmissor que incorpora a presente invenção inclui um componente de ímã e um componente de bobina. Pode-se ainda observar que os componentes que incorporam o componente de ímã e o aparelho que incorpora o componente de bobina são fabricados e montados em seus respectivos tubos de fluxo de tal maneira que a massa do componente de transmissor se iguale à do componente de bobina; que os componentes de bobina e ímã tenham seus centros de massa combinados (com o tubo de fluxo) em seus respectivos planos de equilíbrio; e que o componente de ímã e o componente de bobina tenham momentos de inércia iguais sobre seus centros de massa. A montagem de tal componente de bobina de transmissor ao fundo de um segundo tubo de fluxo provê uma estrutura dinamicamente equilibrada que vibra os tubos de fluxo em oposição de fase e inibe a geração de vibrações internas indesejadas.
[017] Ainda, de acordo com a presente invenção, os transdutores de coleta são desenhados, fabricados, e montados nos tubos de fluxo da mesma maneira que o descrito para o transmissor. Em outras palavras, cada transdutor de coleta tem um componente de ímã fixado a um primeiro tubo de fluxo, um componente de bobina fixado a um segundo tubo de fluxo, e componentes distribuídos que provêm elementos dinamicamente equilibrados que não contribuem significativamente para a geração de forças vibracionais indesejadas dentro do fluxímetro.
ASPECTOS DA INVENÇÃO
[018] Um aspecto da presente invenção inclui um fluxímetro Coriolis, compreendendo: um primeiro tubo de fluxo e um segundo tubo de fluxo adaptado para vibrar em oposição de fase sobre um plano de simetria; um sistema de transmissão adaptado para vibrar cada tubo de fluxo sobre os eixos geométricos que conectam os nós de extremidade de cada tubo de fluxo; primeiros componentes de vibração incluindo um primeiro componente de sistema de transmissão de vibração fixado ao dito primeiro tubo de fluxo; segundos componentes de vibração incluindo um segundo componente de sistema de transmissão de vibração fixado ao dito segundo tubo de fluxo; os ditos primeiro e segundo componentes de sistema de transmissão de vibração são de um tamanho e posição equivalentes de tal modo que os momentos de inércia do dito primeiro tubo de fluxo e do dito primeiro componente de sistema de transmissão de vibração são substancialmente iguais aos momentos de inércia do dito segundo tubo de fluxo e do dito segundo componente de sistema de transmissão de vibração; caracterizado pelo fato de que os nós de extremidade do dito primeiro tubo de fluxo e o centro de massa combinado do dito primeiro tubo de fluxo e do dito primeiro componente de sistema de transmissão de vibração ficam em um primeiro plano de equilíbrio paralelo ao dito plano de simetria; e os nós de extremidade do dito segundo tubo de fluxo e o centro de massa combinado do dito segundo tubo de fluxo e do dito segundo componente de sistema de transmissão de vibração ficam em um segundo plano de equilíbrio paralelo ao dito plano de simetria.
[019] De preferência, os ditos primeiro e segundo componentes de sistema de transmissão de vibração são dimensionados de modo a apresentarem massas substancialmente iguais.
[020] De preferência, o dito primeiro componente de sistema de transmissão de vibração inclui um componente de bobina de um transmissor fixado ao dito primeiro tubo de fluxo; e o dito segundo componente de sistema de transmissão de vibração inclui um componente de ímã do dito transmissor fixado ao dito segundo tubo de fluxo e coaxialmente alinhado com o dito componente de bobina.
[021] De preferência, os ditos primeiros componentes de vibração incluem ainda um primeiro componente coletor, e os ditos segundos componentes de vibração incluem um segundo componente coletor.
[022] De preferência, o dito primeiro componente coletor é fixado ao dito primeiro tubo de fluxo; e o dito segundo componente coletor é fixado ao dito segundo tubo de fluxo.
[023] De preferência, os ditos primeiro e segundo componentes de sistema de transmissão de vibração são dimensionados de modo a apresentarem massas substancialmente iguais.
[024] Um outro aspecto da presente invenção compreende um método de operação de um fluxímetro Coriolis compreendendo: um primeiro tubo de fluxo e um segundo tubo de fluxo adaptado para vibrar em oposição de fase sobre um plano de simetria; um sistema de transmissão adaptado para vibrar cada tubo de fluxo sobre os eixos geométricos que conectam os nós de extremidade de cada tubo de fluxo, o dito método compreendendo as etapas de: fixar os primeiros componentes de vibração incluindo um primeiro componente de sistema de transmissão de vibração ao dito primeiro tubo de fluxo; fixar os segundos componentes de vibração incluindo um segundo componente de sistema de transmissão de vibração ao dito segundo tubo de fluxo; dimensionar e posicionar o dito primeiro e segundo componentes de sistema de transmissão de vibração de modo a ficarem de um tamanho e posição equivalentes de tal modo que os momentos de inércia do dito primeiro tubo de fluxo e do dito primeiro componente de sistema de transmissão de vibração fiquem substancialmente iguais ao momento de inércia do dito segundo tubo de fluxo e do dito segundo componente de sistema de transmissão de vibração; caracterizado pelo fato de que o dito método compreende ainda as etapas de: [025] posicionar os nós de extremidade do dito primeiro tubo de fluxo e o centro de massa combinado do dito primeiro tubo de fluxo e do dito primeiro componente de sistema de transmissão de vibração em um primeiro plano de equilíbrio paralelo ao dito plano de simetria; e posicionar os nós de extremidade do dito segundo tubo de fluxo e o centro de massa combinado do dito segundo tubo de fluxo e do dito segundo componente de sistema de transmissão de vibração em um segundo plano de equilíbrio paralelo ao dito plano de simetria.
[026] De preferência, o método compreende ainda as etapas de dimensionar os ditos primeiro e segundo componentes de sistema de transmissão de vibração de modo a apresentarem massas iguais.
[027] De preferência, o método compreende ainda as etapas de: fixar os ditos primeiros componentes de sistema de transmissão de vibração incluindo um componente de bobina de um transmissor ao dito primeiro tubo de fluxo; e fixar os ditos segundos componentes de sistema de transmissão de vibração incluindo um componente de ímã do dito transmissor ao dito segundo tubo de fluxo e coaxialmente alinhado ao dito componente de bobina.
[028] De preferência, o método compreende ainda o dito primeiro componente de sistema de transmissão de vibração que inclui ainda um primeiro componente coletor, e o dito segundo componente de sistema de transmissão de vibração que inclui ainda um segundo componente coletor; o dito método inclui ainda as etapas de: fixar um primeiro componente coletor ao dito primeiro tubo de fluxo; e fixar um segundo componente coletor ao dito segundo tubo de fluxo.
[029] De preferência, o método compreende ainda o dimensionamento do dito primeiro e segundo componentes coletores de modo a apresentarem massas substancialmente iguais.
DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[030] As vantagens e aspectos acima e outros podem ser melhor entendidos a partir da leitura da descrição detalhada a seguir tomada em conjunto com os desenhos, nos quais: A Figura 1 ilustra um fluxímetro Coriolis da técnica anterior; A Figura 2 ilustra um transmissor típico de um fluxímetro Coriolis da técnica anterior; A Figura 3 ilustra uma vista em perspectiva de um fluxímetro Coriolis que incorpora a presente invenção; A Figura 4 ilustra o fluxímetro Coriolis da Figura 3 com uma porção do revestimento externo removida; A Figura 5 ilustra os tubos de fluxo e as barras de reforço do fluxímetro Coriolis da Figura 3; A Figura 6 ilustra a vista em perspectiva do transmissor D do fluxímetro Coriolis da Figura 3; A Figura 7 ilustra uma vista em seção transversal vertical dos tubos de fluxo da Figura 4 fixados aos elementos transmissores que incorporam a presente invenção; A Figura 8 ilustra os detalhes do transmissor D fixados ao primeiro e ao segundo tubos de fluxo; e A Figura 9 ilustra os detalhes dos transdutores de coleta e a maneira pela qual os mesmos são fixados aos tubos de fluxo.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
[031] As Figuras 1 a 9 e a descrição a seguir ilustram exemplos específicos a fim de ensinar os versados na técnica como fazer e usar o melhor modo da presente invenção. Com a finalidade de ensinar os princípios inventivos, alguns aspectos convencionais foram simplificados ou omitidos. Os versados na técnica apreciarão variações a partir destes exemplos que recaem no âmbito da presente invenção. Os versados na técnica apreciarão que os aspectos descritos abaixo podem ser combinados de várias maneiras de modo a formar múltiplas variações da presente invenção. Como um resultado, a presente invenção não se limita aos exemplos específicos descritos abaixo, mas apenas pelas reivindicações e seus equivalentes. DESCRIÇÃO DA FIGURA 1 [032] A Figura 1 ilustra um fluxímetro Coriolis 5 compreendendo uma montagem de fluxímetro 10 e um equipamento eletrônico medidor 120. O equipamento eletrônico medidor 120 é conectado à montagem de medidor 10 via os fios de ligação 100 a fim de prover a densidade, a proporção de fluxo de massa, a proporção de fluxo de volume, o fluxo de massa totalizado, a temperatura, e outras informações sobre o percurso 126. Tornar-se-á aparente aos versados na técnica que a presente invenção pode ser usada por qualquer tipo de fluxímetro Coriolis independente do número de transmissores, de sensores de coleta, de tubos de fluxo ou do modo operacional da vibração.
[033] A montagem de fluxímetro 10 inclui um par de flanges 101 e 101'; as tubulações 102 e 102'; o transmissor D; os sensores de coleta LPO, RPO; e os tubos de fluxo 103A e 103B. O transmissor D e os sensores de coleta LPO, RPO são conectados aos tubos de fluxo 103A e 103B.
[034] Os flanges 101 e 101' são fixados às tubulações 102 e 102'. As tubulações 102 e 102' são fixadas às extremidades opostas do espaçador 106. O espaçador 106 mantém o espaçamento entre as tubulações 102 e 102' a fim de impedir as vibrações indesejadas nos tubos de fluxo 103A e 103B. Quando a montagem de fluxímetro 10 é inserida em um sistema de tubulação (não mostrado) que carrega o material que é medido, o material entra na montagem de fluxímetro 10 através do flange 101, passa pela tubulação de entrada 102 onde a quantidade total de material é direcionada de modo a entrar nos tubos de fluxo 103A e 103B, flui pelos tubos de fluxo 103A e 103B e de volta para a tubulação de saída 102', por onde sai da montagem de medidor 10 através do flange 101'.
[035] Os tubos de fluxo 103A e 103B são selecionados e apropriadamente montados na tubulação de entrada 102 e na tubulação de saída 102' de modo a apresentar substancialmente a mesma distribuição de massa, os mesmos momentos de inércia, e módulos elásticos sobre os eixos geométricos de curvatura W-W e W'-W', respectivamente. Estes eixos geométricos contêm os nós de extremidade de tubo (pontos estacionários) para cada tubo de fluxo. Os tubos de fluxo se estendem para fora das tubulações de uma maneira essencialmente paralela.
[036] Os tubos de fluxo 103A-B são acionados pelo transmissor D em oposição de fase sobre os seus respectivos eixos geométricos de curvatura W e W' e nos quais termina o primeiro modo fora de curvatura do fluxímetro. O transmissor D pode compreender uma dentre muitas disposições bem conhecidas, como, por exemplo, um ímã montado no tubo de fluxo 103A e uma bobina oposta montada no tubo de fluxo 103B. Uma corrente alternada passa pela bobina oposta de modo a fazer com os dois tubos de fluxo oscilem em oposição de fase. Um sinal de transmissão adequado é aplicado pelo equipamento eletrônico medidor 120, via o fio de ligação 110 ao transmissor D. A descrição da Figura 1 é provida tão-somente como um exemplo da operação de um fluxímetro Coriolis e não pretende limitar o ensinamento da presente invenção.
[037] O equipamento eletrônico medidor 20 transmite os sinais de sensor para os fios de ligação 111 e 111', respectivamente. O equipamento eletrônico medidor 20 produz um sinal de transmissão para o fio de ligação 110, que faz com que o transmissor D oscile os tubos de fluxo 103A e 103B em oposição de fase. O equipamento eletrônico medidor 20 processa os sinais de velocidade esquerdo e direito a partir dos transdutores de coleta LPO, RPO a fim de computar a proporção de fluxo de massa. O percurso 126 provê um meio de entrada e um meio de saída que permite ao equipamento eletrônico medidor 120 fazer interface com um operador. DESCRIÇÃO DA FIGURA 2 [038] A Figura 2 ilustra um sistema de transmissão D para uma modalidade preferida do fluxímetro Coriolis 5. Em uma modalidade exemplar preferida, o transmissor D é uma montagem de bobina e ímã. Uma pessoa versada na técnica notará que outros tipos de sistemas de transmissão, como, por exemplo, os piezelétricos, podem ser usados.
[039] O transmissor D tem uma montagem de ímã 210 e uma montagem de bobina 220. Os suportes 211 se estendem para fora em direções opostas a partir da montagem de ímã 210 e da montagem de bobina 220. Os suportes 211 são abas que se estendem para fora da base plana e possuem uma borda substancialmente curvada 290 sobre um lado de fundo que é formado de modo a receber um tubo de fluxo 103A ou 103B. A borda curvada 290 dos suportes 211 é em seguida soldada ou de alguma outra maneira fixada aos tubos de fluxo 103A e 103B de modo a fixar o transmissor D ao fluxímetro Coriolis 5.
[040] A montagem de ímã 210 tem um prendedor de ímã 202 como uma base. Os suportes 211 se estendem a partir de um primeiro lado do prendedor de ímã 202. As paredes 213 e 214 se estendem para fora das bordas externas de um segundo lado do prendedor de ímã 202. As paredes 213 e 214 controlam a direção do campo magnético do ímã 203 perpendicular aos enrolamentos da bobina 204.
[041] O ímã 203 é um ímã substancialmente cilíndrico tendo uma primeira e uma segunda extremidade. O ímã 203 é encaixado em uma luva de ímã (não mostrada). A luva de ímã e o ímã 203 são fixados a uma segunda superfície de um prendedor de ímã 202 de modo a prender o ímã 203 em uma montagem de ímã 210. O ímã 203 tipicamente possui um pólo (não mostrado) fixado ao seu segundo lado. O pólo de ímã (não mostrado) é uma tampa que se encaixa na segunda extremidade do ímã 203 a fim de direcionar os campos magnéticos para a bobina 204.
[042] A montagem de bobina 220 inclui uma bobina 204, e uma bobina em espiral 205. A bobina em espiral 205 é fixada a um suporte 211. A bobina em espiral 205 possui um carretel que se projeta a partir de uma primeira superfície em torno da qual a bobina 204 é enrolada. A bobina 204 é montada sobre a bobina em espiral 205 oposta ao ímã 203. A bobina 204 é conectada ao fio de ligação 110 que aplica uma corrente alternada à bobina 204. A corrente alternada faz com que a bobina 204 e o ímã 203 se atraiam e se repilam entre si, o que, por sua vez, faz com que os tubos de fluxo 103A e 103B oscilem em oposição um ao outro. DESCRIÇÃO DA FIGURA 3 [043] A Figura 3 apresenta um fluxímetro Coriolis 300 incorporando a presente invenção. O fluxímetro Coriolis 300 compreende um espaçador 303 que encerra a porção inferior dos tubos de fluxo 301, 302, que são internamente conectados em suas extremidades esquerdas ao flange 304 via o seu pescoço 308 e que são conectados em suas extremidades direitas via o pescoço 320 ao flange 305 e à tubulação 307. São também mostrados, na Figura 3, a saída 306 do flange 305, o coletor LPO, o coletor direito RPO e o transmissor D. O coletor direito RPO é mostrado com um certo detalhe e inclui uma estrutura de ímã 315 e uma estrutura de bobina 316. O elemento 314 no fundo do espaçador de tubulação 303 é uma abertura para o alojamento do equipamento eletrônico medidor 120, os fios 100 que se estendem internamente para o transmissor D e para os coletores LPO e RPO. O fluxímetro 300 é adaptado quando em uso para ser conectado via os flanges 304 e 305 a uma tubulação ou coisa do gênero. DESCRIÇÃO DA FIGURA 4 [044] A Figura 4 é uma vista em seção do fluxímetro 300. Esta vista remove a porção frontal do espaçador de tubulação 303 de modo que as peças internas do espaçador de tubulação possam ser mostradas. As peças mostradas na Figura 4, e não na Figura 3, incluem as barras de reforço de extremidade externa 401 e 404, as barras de reforço internas 402 e 403, as aberturas de saída de tubo de fluxo de extremidade direita 405 e 412, os tubos de fluxo 301 e 302, as seções de tubo de fluxo curvadas 414, 415, 416, e 417. Em uso, os tubos de fluxo 301 e 302 vibram sobre seus eixos geométricos de curvatura W e W'. As barras de reforço de extremidade externas 401 e 404 e as barras de reforço internas 402 e 403 ajudam a determinar o local dos eixos geométricos de curvatura W e W'. O elemento 406 é um acessório de montagem para os fios fixados ao transmissor D e pelos coletores LPO e RPO que não são mostrados na Figura 4 a fim de minimizar a complexidade. A superfície 411 é a entrada do fluxímetro, a superfície 306 é a saída de fluxímetro.
[045] Os elementos 405 e 412 são a superfície interna das extremidades direitas dos tubos de fluxo 301 e 302. Os eixos geométricos de curvatura W e W' são mostrados estendendo-se ao longo do comprimento do fluxímetro 300. DESCRIÇÃO DA FIGURA 5 [046] A Figura 5 compreende uma vista de extremidade dos tubos de fluxo 301 e 302 mostrados defletidos para fora um do outro sob a influência do transmissor (não mostrado na Figura 5). As barras de reforço internas 402 e 403, assim como as barras de reforço externas 401 e 404 juntamente com as aberturas de saída 405 e 412 são também mostradas na Figura 5. A imagem da deflexão externa dos tubos de fluxo 301, 302 é mostrada exagerada de modo a facilitar um entendimento de sua operação. Em uso, as deflexões dos tubos de fluxo pelo transmissor D são tão pequenas em magnitude de modo a não serem detectáveis pelo olho humano. Os eixos geométricos de curvatura W e W' para os tubos de fluxo 301 e 302 são também mostrados. DESCRIÇÃO DA FIGURA 6 [047] A Figura 6 apresenta um transmissor D que tem uma seção de bobina C e uma seção de ímã M. A seção de bobina C é mostrada como tendo a extremidade 601 de um parafuso (não mostrado) que se estende axialmente através de toda a seção de bobina C. A superfície 604 é a extremidade externa axial da seção de bobina C. O elemento 602 é um espaçador de bobina que circunda a seção de bobina C. A superfície 603 é um espaçador. O elemento 604 suporta os fios (não mostrados) que são conectados às extremidades do enrolamento espiral da seção de bobina C. O elemento 605 é a superfície externa da bobina espiral. O elemento 606 é a superfície em volta da qual os fios da seção de bobina C são enrolados. O elemento 608 vem a ser os fios compreendendo uma seção de bobina C.
[048] A seção de ímã direita inclui o retentor 609, o suporte de ímã cilíndrico 610 que envolve o ímã interno, a superfície de transição 612, o contra-peso e os suportes magnéticos 613, e a superfície 611 sobre a extremidade esquerda do suporte magnético 613.
[049] Em uso, a bobina 608 é energizada por um sinal senoidal do equipamento eletrônico medidor 120 sobre os condutos 110. O campo criado pela bobina energizada 608 interage com o campo magnético na extremidade do ímã de modo a fazer com que o elemento de bobina Ceo elemento de ímã M se movimente axialmente em oposição de fase sob a influência do sinal de energização do equipamento eletrônico medidor 120. Com isto, a porção de extremidade direita do elemento de bobina C da Figura 6 incluindo a bobina 608 e a superfície 607 se movimenta para dentro e para fora em um sentido axial do retentor magnético 609. Conforme mostrado na Figura 8, a superfície superior do espaçador de bobina 602 é fixada a uma superfície inferior do tubo de fluxo 301. De uma maneira similar, a superfície superior do suporte de ímã 610 é fixada à superfície inferior do tubo de fluxo 302. O movimento oscilante dos componentes de bobina e de ímã do transmissor D provoca o movimento oscilatório similar dos tubos de fluxo 301 e 302 de modo a vibrar em oposição de fase sob a influência do sinal de transmissão no percurso 110. DESCRIÇÃO DA FIGURA 7 [050] A Figura 7 é uma vista em seção transversal dos tubos de fluxo 301 e 302 tomada sobre suas porções intermediárias axiais longitudinais, assim como uma vista em seção transversal dos elementos do componente de bobina C, o componente de ímã M do transmissor D. O separador de bobina 602 tem a sua superfície de topo fixada à superfície inferior do tubo de fluxo 301. A superfície de topo do suporte de ímã 610 é fixada à superfície inferior do tubo de fluxo 302. Separador de bobina 602 e suporte de ímã 610 podem ser fixados aos tubos de fluxo por meio de solda forte e/ou solda elétrica. O parafuso 701 tendo uma extremidade 601 fica contido dentro do espaçador de bobina 602 e se estende para dentro através do espaçador 603 e termina no elemento 606. O elemento 606 é fixado ao elemento 704 que inclui a superfície sobre a qual a bobina 608 da Figura 6 é enrolada.
[051] O componente de ímã M do transmissor D inclui o elemento 702 sobre a sua extremidade direita externa. A extremidade esquerda do ímã M é o elemento 703, a porção intermediária do ímã M é o elemento 710. A porção direita 702 fica contida dentro do contra-peso 613. Quando a bobina componente C do transmissor D é energizada, a porção direita do componente de bobina C e a porção esquerda 703 do componente de ímã M vibram axialmente para dentro e para fora com relação uma à outra e, com isso, provocar a vibração interna e externa similar dos tubos de fluxo 301 e 302.
[052] Quando o transmissor D vibra os tubos de fluxo 301 e 302, o tubo de fluxo 301 vibra sobre o eixo de curvatura W', enquanto o tubo de fluxo 302 vibra sobre o eixo de curvatura W. Isto é mais claramente mostrado nas Figuras 4 e 5. A linha vertical 716 fica no plano de equilíbrio para o tubo de fluxo 301. O plano de equilíbrio 716 contém o eixo de curvatura W' e fica paralelo ao plano de simetria 708. A linha vertical 717 fica no plano de equilíbrio para o tubo de fluxo 302. O plano de equilíbrio 717 contém o eixo de curvatura W e fica também paralelo ao plano de simetria 708 que fica intermediário entre os planos 716 e 717.
[053] Os tubos de fluxo 301 e 302 vibram como um garfo de sintonização sobre os seus eixos geométricos de curvatura W' e W. No entanto, os dois tubos de fluxo em si não são uma estrutura perfeitamente equilibrada em termos dinâmicos e, portanto, podem supostamente gerar um nível baixo de vibrações indesejadas dentro do fluxímetro Coriolis do qual os mesmos fazem parte.
[054] A Figura 7 mostra os eixos geométricos de curvatura W' e W localizados ligeiramente para dentro a partir das linhas de centro 706 e 707 dos tubos de fluxo 301 e 302. Estes eixos geométricos de curvatura W' e W com frequência se localizam sobre as linhas de centro de tubo de fluxo 706 e 707. No entanto, na presente invenção, conforme mostrado na Figura 7, os eixos geométricos de curvatura W' e W são mostrados desviados das linhas de centro dos tubos de fluxo 706 e 707 em função da massa e da rigidez das estruturas às quais os mesmos são fixados. Os centros de massa dos tubos de fluxo 712 e 715 (independente dos componentes fixados) se encontram nas linhas de centro dos tubos 706 e 707. Quando os tubos se curvam para dentro, os seus centros de massa 715 e 712 seguem percursos circunferenciais sobre os eixos geométricos de curvatura W' e W. Pode-se observar, portanto, que, quando os centros de massa se aproximam de seus respectivos planos de equilíbrio 716 e 717, os mesmos também se movimentam ligeiramente em um sentido ascendente. Da mesma forma, quando os centros de massa 715 e 712 dos tubos de fluxo se movimentam para fora de seus respectivos planos de equilíbrio 716 e 717, os mesmos se movimentam em um sentido descendente. A menos que equilibrado, este movimento vertical dos centros de massa dos tubos 715 e 712 faria com que o medidor balançasse na direção Y.
[055] O transmissor de um fluxímetro típico tem também uma massa que fica dinamicamente desequilibrada quando fixada aos tubos de fluxo de um fluxímetro Coriolis típico. Este transmissor é mostrado na Figura 2 e pode ser visto compreendendo uma primeira estrutura 220 que é fixada a um primeiro tubo de fluxo, e uma segunda estrutura 210 que é fixada a um segundo tubo de fluxo.
[056] Tal transmissor adiciona uma massa significante à estrutura de vibração dos tubos de fluxo. O transmissor também acrescenta a massa de tal maneira que o volume da massa seja posicionado no espaço entre os dois tubos de fluxo. Esta massa compreende os elementos 204, 203, 205, 213, e 214 do transmissor da Figura 2.
[057] Se a estrutura do transmissor da Figura 2 fosse adicionada aos tubos de fluxo 301, 302, ao invés do transmissor D da presente invenção, o fluxímetro provavelmente ficaria desequilibrado, uma vez que os centros de massa dos componentes do transmissor da Figura 2 ficariam posicionados entre os centros radiais 706 e 707 dos tubos de fluxo 301 e 302. Estes centros de massa ficariam longe do lado interno do plano de equilíbrio 716 e 717. Em função desta localização, os centros de massa dos componentes de transmissor desceriam conforme os tubos se movimentam na direção um do outro e conforme os mesmos se afastam um do outro. Isto cancelaria o desequilíbrio na direção y dos tubos de fluxo vazios, mas, infelizmente, nos transmissores da técnica anterior, o efeito dos desvios dos componentes de transmissor supera o efeito do desvio do centro de massa do tubo de fluxo no plano de equilíbrio. Este desequilíbrio dinâmico, por sua vez, geraria uma quantidade significante de vibrações indesejadas em tal fluxímetro.
[058] O transmissor D da presente invenção inclui o componente de bobina C e um componente de ímã M que são fixados ao fundo dos respectivos tubos de fluxo 301 e 302 de tal maneira a permitir que os tubos de fluxo operem com um mínimo de vibrações indesejadas. Isto é obtido de acordo com a presente invenção ao se desenhar, fabricar, e configura o componente de bobina C e o componente de ímã M de modo que compreendam uma estrutura dinamicamente equilibrada, tendo iguais ou idênticas características inerciais. Os elementos são fixados individualmente ao fundo dos tubos de fluxo 301 e 302. Os mesmos são posicionados em alinhamento axial um ao outro de modo que o centro axial da bobina e do ímã tenha um eixo central comum que permita que os dois elementos vibrem em oposição de fase ao longo de seu eixo comum. A fixação do elemento transmissor C com o seu centro de massa 718 no tubo de fluxo 301 com o seu centro de massa 715 cria um centro de massa combinado 727 que se assenta sobre o plano de equilíbrio 716. Da mesma maneira, a fixação do elemento transmissor M com o seu centro de massa 712 cria um centro de massa combinado 714 que se assenta sobre o plano de equilíbrio 717. A localização dos centros de massa combinados 716 e 717 garante que os componentes adicionados não atrapalhem o equilíbrio vibracional do medidor e, deste modo, não gerem nenhuma vibração indesejada na direção Y.
[059] O componente de bobina C e o componente de ímã M do transmissor D são desenhados, fabricados e configurados de modo a apresentarem as características vibracionais descritas a seguir. Primeiramente, a massa do componente de bobina C é feita igual à massa do componente de ímã M do transmissor D. O centro de massa 718 da bobina e o centro de massa 713 do ímã são feitos a uma distância igual dos eixos geométricos de curvatura W' e W. Em seguida, o momento de inércia é configurado para o componente de bobina C e para o componente de ímã M de modo que o momento de inércia é configurado para o componente de bobina C e para o componente de ímã M de modo que o momento de inércia de cada um destes seja feito essencialmente igual. O momento de inércia de cada um destes elementos pode ser expressado como: I = ir2 · dn onde: I = o momento de inércia do componente m = massa de cada elemento incremental r = a distância de cada elemento incremental ao centro de massa do componente [060] Por último, o centro de massa de cada componente transmissor se localiza de tal modo que os centros de massa combinados de cada componente transmissor e seu respectivo tubo de fluxo se localizem sobre os planos de equilíbrio 716 e 717. Ao se desenhar um transmissor para estas regras, garante-se uma estrutura dinamicamente equilibrada que permite que os tubos de fluxo vibrem em oposição de fase, ao mesmo tempo evitando a geração de vibrações indesejadas. DESCRIÇÃO DA FIGURA 8 [061] A Figura 8 apresenta os detalhes do transmissor D das Figuras 6 e 7 quando fixado ao fundo dos tubos de fluxo 301 e 302. A Figura 8 mostra a extremidade 601 do parafuso que se estende através da bobina C. A mesma mostra ainda uma superfície de extremidade 614 da seção de bobina e a tampa do espaçador de bobina 602, a superfície de bobina 603, o terminal de fio 604. A Figura 8 também mostra os elementos 609, 610, 612 e 613 do componente de ímã M. A Figura 8 mostra os condutores 806 e 807 estendendo-se do suporte 802 para os terminais de bobina 604. Os condutores 806 e 807 são conectados pelos condutores 110 (não mostrados) para a aplicação de um sinal de energização 110 do equipamento eletrônico medidor 120 para a seção de bobina C. Os suportes 801, 802, 803, 804, e 805 são suportes de montagem para suportar os condutores 806 e 807. O suporte de ímã 610 é fixado ao fundo do tubo de fluxo 302 da mesma maneira que o elemento espaçador de bobina 602 é fixado ao fundo do tubo de fluxo 301. DESCRIÇÃO DA FIGURA 9 [062] A Figura 9 ilustra outros detalhes dos coletores RPO e LPO da Figura 3 fixados ao topo dos tubos de fluxo 301 e 302. Cada coletor tem um componente de bobina C e um componente de ímã M da mesma maneira que o transmissor D. O componente de bobina C tem um espaçador 315 fixado ao topo do tubo de fluxo 301, o componente de ímã M tem um espaçador 316 fixado ao topo do tubo de fluxo 302. O coletor RPO tem condutores 907 que são conectados aos percursos de condutor 111 e 111' da Figura 1 por um meio não mostrado em detalhe na Figura 9. Estes condutores são suportados pelo suporte 906. O componente de bobina C tem um elemento 902 e 904 para suportar os condutores de bobina, assim como tem ainda uma superfície de extremidade axial interna 903. O componente de ímã M tem uma porção de extremidade interna 905 que corresponde ao elemento 609 do componente de ímã M da Figura 6.
[063] Os coletores RPO e LPO são desenhados, configurados e fabricados da mesma maneira que o descrito para o transmissor, de modo que cada componente apresente massas iguais, centros de massa nos planos de equilíbrio iguais, e momentos de inércia iguais. Isto garante que as peças dos coletores compreendam estruturas dinamicamente equilibradas que podem ser fixadas aos tubos de fluxo conforme mostrado de modo a permitir que os tubos de fluxo sejam operados de uma maneira a não gerar vibrações indesejadas.
[064] Entenda-se, expressamente, que a presente invenção reivindicada não se limita à descrição da modalidade preferida, abrangendo ainda outras modificações e alterações dentro do âmbito e espírito do novo conceito inventivo.
REIVINDICAÇÕES

Claims (11)

1. Fluxímetro Coriolis, compreendendo: um primeiro tubo de fluxo (301) e um segundo tubo de fluxo (302) adaptado para vibrar em oposição de fase sobre um plano de simetria (708); um sistema de transmissão (D) adaptado para vibrar cada tubo de fluxo sobre eixos de flexão que conectam os nós de extremidade de cada tubo de fluxo; primeiros componentes de vibração (D, LPO, RPO) incluindo um primeiro componente de sistema de transmissão de vibração (C) fixado ao dito primeiro tubo de fluxo; segundos componentes de vibração incluindo um segundo componente de sistema de transmissão de vibração (M) fixado ao dito segundo tubo de fluxo; os ditos primeiro e segundo componentes de sistema de transmissão de vibração são de tamanho e posição equivalentes de tal modo que os momentos de inércia do dito primeiro tubo de fluxo e do dito primeiro componente de sistema de transmissão de vibração sejam substancialmente iguais aos momentos de inércia do dito segundo tubo de fluxo e do dito segundo componente de sistema de transmissão de vibração; CARACTERIZADO por: os eixos de flexão (W') do dito primeiro tubo de fluxo e o centro de massa combinado (727) do dito primeiro tubo de fluxo mais o dito primeiro componente de sistema de transmissão de vibração (C) ficam em um primeiro plano de equilíbrio (716) paralelo ao dito plano de simetria (708); e os eixos de flexão (W) do dito segundo tubo de fluxo e o centro de massa combinado (714) do dito segundo tubo de fluxo mais o dito segundo componente de sistema de transmissão de vibração (M) ficam em um segundo plano de equilíbrio (717) paralelo ao dito plano de simetria (708), em que uma linha de centro (706) e um centro de massa (715) do primeiro tubo de fluxo não estão posicionados no primeiro plano de equilíbrio (716), e uma linha de centro (707) e um centro de massa (712) do segundo tubo de fluxo não estão posicionados no segundo plano de equilíbrio (717).
2. Fluxímetro Coriolis, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que os ditos primeiro e segundo componentes de sistema de transmissão de vibração são dimensionados de modo a apresentarem massas substancialmente iguais.
3. Fluxímetro Coriolis, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que: o dito primeiro componente de sistema de transmissão de vibração inclui um componente de bobina (C) de um transmissor fixado ao dito primeiro tubo de fluxo; e o dito segundo componente de sistema de transmissão de vibração inclui um componente de ímã (M) do dito transmissor fixado ao dito segundo tubo de fluxo e coaxialmente alinhado com o dito componente de bobina.
4. Fluxímetro Coriolis, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que os ditos primeiros componentes de vibração incluem ainda um primeiro componente coletor (602), e os ditos segundos componentes de vibração incluem um segundo componente coletor (610).
5. Fluxímetro Coriolis, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato de que o dito primeiro componente coletor (602) é fixado ao dito primeiro tubo de fluxo (301), e o dito segundo componente coletor (610) é fixado ao dito segundo tubo de fluxo (302).
6. Fluxímetro Coriolis, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelo fato de que os ditos primeiro e segundo componentes de sistema de transmissão de vibração são dimensionados de modo a apresentarem massas substancialmente iguais.
7. Método de operação de um fluxímetro Coriolis compreendendo: um primeiro tubo de fluxo (301) e um segundo tubo de fluxo (302) adaptados para vibrarem em oposição de fase sobre um plano de simetria (708); um sistema de transmissão (D) adaptado para vibrar cada tubo de fluxo sobre os eixos de flexão que conectam os nós de extremidade de cada tubo de fluxo, o dito método compreendendo as etapas de: fixar os primeiros componentes de vibração (D, LPO, RPO) incluindo um primeiro componente de sistema de transmissão de vibração (C) ao dito primeiro tubo de fluxo (301); fixar os segundos componentes de vibração incluindo um segundo componente de sistema de transmissão de vibração (M) ao dito segundo tubo de fluxo (302); dimensionar e posicionar os ditos primeiro e segundo componentes de sistema de transmissão de vibração de modo a ficarem de um tamanho e posição equivalentes tais que os momentos de inércia do dito primeiro tubo de fluxo (301) e do dito primeiro componente de sistema de transmissão de vibração (C) fiquem substancialmente iguais ao momento de inércia do dito segundo tubo de fluxo (302) e do dito segundo componente de sistema de transmissão de vibração (M); o dito método sendo CARACTERIZADO pelo fato de compreender as etapas adicionais de: posicionar os eixos de flexão (W') do dito primeiro tubo de fluxo e o centro de massa (727) combinado do dito primeiro tubo de fluxo (301) mais o dito primeiro componente de sistema de transmissão de vibração (C) em um primeiro plano de equilíbrio (716) paralelo ao dito plano de simetria (708); e posicionar os eixos de flexão (W) do dito segundo tubo de fluxo (302) e o centro de massa (714) combinado do dito segundo tubo de fluxo mais o dito segundo componente de sistema de transmissão de vibração (M) em um segundo plano de equilíbrio (717) paralelo ao dito plano de simetria (708), em que uma linha de centro (706) e um centro de massa (715) do primeiro tubo de fluxo não estão posicionados no primeiro plano de equilíbrio (716), e uma linha de centro (707) e um centro de massa (712) do segundo tubo de fluxo não estão posicionados no segundo plano de equilíbrio (717).
8. Método, de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZADO pelo fato de incluir a etapa adicional de dimensionar os ditos primeiro e segundo componentes de sistema de transmissão de vibração de modo a apresentarem massas substancialmente iguais.
9. Método, de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZADO pelo fato de incluir as etapas adicionais de: fixar os ditos primeiros componentes de sistema de transmissão de vibração incluindo um componente de bobina de um transmissor ao dito primeiro tubo de fluxo; e fixar os ditos segundos componentes de sistema de transmissão de vibração incluindo um componente de ímã do dito transmissor ao dito segundo tubo de fluxo e coaxialmente alinhado com o dito componente de bobina.
10. Método, de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZADO pelo fato de que o dito primeiro componente de sistema de transmissão de vibração inclui ainda um primeiro componente coletor e pelo fato de que o dito segundo componente de sistema de transmissão de vibração inclui ainda um segundo componente coletor; o dito método inclui ainda as etapas de: fixar um primeiro componente coletor ao dito primeiro tubo de fluxo; e fixar um segundo componente coletor ao dito segundo tubo de fluxo.
11. Método, de acordo com a reivindicação 10, CARACTERIZADO pelo fato de incluir a etapa adicional de: dimensionar os ditos primeiro e segundo componentes coletores de modo a apresentarem massas substancialmente iguais.
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