BRPI0520005B1 - Fluxímetro vibratório compacto para a medição de características de fluxo de um material de fluxo polifásico e método para construir o mesmo - Google Patents

Fluxímetro vibratório compacto para a medição de características de fluxo de um material de fluxo polifásico e método para construir o mesmo Download PDF

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Mark James Bell
Andrew Timothy Patten
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Abstract

fluxímetro vibratório compacto para a medição de características de fluxo de um material de fluxo polifásico. um fluxímetro vibratório compacto (200) para medir as características de fluxo de um material de fluxo polifásico em uma pressão de material de fluxo maior do que cerca de 10 libras por polegada quadrada (psi) (69 kpa) é provido de acordo com uma modalidade da invenção. o fluxímetro vibratório compacto (200) inclui um ou mais condutos de fluxo (301), pelo menos dois sensores de movimento (308) e um acionador (309) o fluxímetro vibratório compacto (200) também inclui uma freqúência de transmissão hidráulica máxima no um ou mais condutos de fluxo (301) que é menor do que cerca de 250 hertz (hz> e uma relação de aspectos (l/h) do um ou mais condutos de fluxo (301) que é maior do que cerca de 2,5. uma razão de altura para calibre (h/b) do um ou mais condutos de fluxo (301) é menor do que cerca de 10 e uma geometria do conduto de fluxo curvado inclui ângulos de curva de extremidade o entre cerca de 120 graus e cerca de 170 graus.

Description

“FLUXÍMETRO VIBRATÓRIO COMPACTO PARA A MEDIÇÃO DE CARACTERÍSTICAS DE FLUXO DE UM MATERIAL DE FLUXO POLIFÁSICO E MÉTODO PARA CONSTRUIR O MESMO”
Antecedentes da Invenção
1. Campo da Invenção [001] A presente invenção refere-se a um fluxímetro vibratório compacto, e mais particularmente, a um fluxímetro vibratório compacto para a medição de características de fluxo de um material de fluxo polifásico.
2. Apresentação do Problema [002] Sensores de conduto vibratórios, tal como fluxímetros de massa Coriolis, tipicamente operam detectando o movimento de um conduto vibratório que contém um material fluente. Propriedades associadas com o material no conduto, tais como fluxo de massa, densidade e outros, podem ser determinadas pelo processamento dos sinais de medição recebidos de transdutores de movimento associados com o conduto. Os modos de vibração do sistema cheio com material vibrante geralmente são afetados pelas características combinadas de massa, dureza e amortecimento do conduto de contenção e do material contido nele.
[003] Um fluxímetro de massa Coriolis típico inclui um ou mais condutos que são conectados em linha em uma canalização ou outro sistema de transporte e transportam material, por exemplo, fluidos, pastas fluidas e semelhantes, no sistema. Cada conduto pode ser visto como tendo um conjunto de modos de vibração natural incluindo, por exemplo, modos de curvatura simples, de torção, radial e acoplado. Em uma aplicação de medição de fluxo de massa Coriolis típico, um conduto é excitado em um ou mais modos de vibração quando um material flui através do conduto e o movimento do conduto é medido em pontos espaçados ao longo do conduto. A excitação é tipicamente provida por um atuador, por exemplo, um dispositivo eletromecânico, tal como um acionador do tipo de bobina de alto
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2/19 falante, que perturba o conduto em uma maneira periódica. A taxa de fluxo de massa pode ser determinada medindo o retardo do tempo ou as diferenças de fase entre os movimentos nas localizações do transdutor. Dois tais transdutores (ou sensores de movimento) são tipicamente utilizados de modo a medir a resposta de vibração do conduto ou condutos de fluxo e ficam tipicamente localizados em posições a montante e a jusante do atuador. Os dois sensores de movimento são conectados em instrumentação eletrônica por cabeamento. A instrumentação recebe sinais dos dois sensores de movimento e processa os sinais de modo a derivar uma medição da taxa de fluxo de massa.
[004] Uma dificuldade no uso de um fluxímetro para medir o material de fluxo é quando o material de fluxo não é uniforme, tal como em uma condição de fluxo polifásico. Em uma condição de fluxo polifásico, o material de fluxo inclui duas ou mais de uma fase gasosa, uma fase líquida e uma fase sólida. Por exemplo, um cenário comum de medição de fluxo é onde o material do fluxo inclui gás carreado em um líquido. O ar é um gás geralmente carreado. Pelo fato de que o gás é compressível, as propriedades do material de fluxo podem variar e, portanto, o gás carreado pode causar leituras errôneas no fluxímetro. O gás carreado pode degradar a precisão da taxa de fluxo de massa e medições de densidade, e, portanto, pode indiretamente afetar a medição do volume.
[005] A FIG. 1 mostra um fluxímetro vibratório em formato de U da técnica anterior. Esse fluxímetro vibratório em formato de U da técnica anterior tem uma relação de aspectos muito baixa, onde a relação de aspectos compreende um comprimento (L) geral do medidor dividido pela altura (H) geral do medidor, isto é, a relação de aspectos = L/H. Pode ser verificada a partir dessa figura que a relação de aspectos da técnica anterior é tipicamente muito menor do que um, especialmente para um fluxímetro em formato de U da técnica anterior. Em aplicações onde o diâmetro do conduto é grande, pode ser observado que a pequena relação de
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3/19 aspectos desse fluxímetro da técnica anterior exigirá uma grande quantidade de espaço físico vertical para instalação.
[006] Em muitas colocações, o espaço físico que está disponível para um fluxímetro é limitado. Por exemplo, ambos o comprimento (L) geral do medidor e a altura (H) geral do medidor podem ser ditados pelo espaço de instalação disponível. Consequentemente, existe uma necessidade por um fluxímetro compacto que retrata ambos um comprimento (L) reduzido e uma altura (H) reduzida e uma alta relação de aspectos (L/H) (isto é, é compacto). Além do mais, existe uma demanda crescente por fluxímetros menores, mais compactos, que possam prover uma capacidade de medição necessária e um alto nível de precisão de medição e confiabilidade.
[007] Na técnica anterior, tentativas para produzir um fluxímetro vibratório compacto compreenderam reduzir os fluxímetros existentes para tais aplicações e/ou usar condutos de fluxo curvados ou retos. Entretanto, isso se deparou com complicações inesperadas e com precisão insatisfatória do fluxímetro. Um resultado da redução de um projeto de fluxímetro existente é que a dureza de um conduto de fluxo pode aumentar por uma grande quantidade. Essa característica de dureza maior resulta em um aumento na frequência de transmissão do fluxímetro. De maneira problemática, essa frequência de transmissão relativamente alta resulta em um desempenho e/ou precisão degradada para materiais de fluxo polifásico. Quando o gás é carreado no material de fluxo (tal como bolhas de ar, por exemplo), a frequência ressonante do material de fluxo é afetada e é menor do que a frequência ressonante de um material de fluxo de fluido puro. Como resultado, a frequência de transmissão utilizada por um fluxímetro da técnica anterior pode ficar em ou perto da frequência ressonante do material de fluxo. Foi verificado através de pesquisa que a precisão de um fluxímetro diminui à medida que a frequência ressonante do material de fluxo de um fluxo polifásico se aproxima da frequência de transmissão do
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4/19 fluxímetro. Consequentemente, o gás carreado resulta na incapacidade do fluxímetro medir com exatidão as características de fluxo do material de fluxo e medir as características sem fluxo.
Sumário da Solução [008] Os problemas acima e outros são resolvidos e um avanço na técnica é obtido através da provisão de um fluxímetro vibratório compacto para a medição das características de fluxo de um material de fluxo polifásico.
[009] Um fluxímetro vibratório compacto para a medição das características de fluxo de um material de fluxo polifásico em uma pressão do material de fluxo maior do que cerca de 10 libras por polegada quadrada (psi) (69 kPa) é provido de acordo com uma modalidade da invenção. O fluxímetro vibratório compacto compreende um ou mais condutos de fluxo, pelo menos dois sensores de movimento afixados no um ou mais condutos de fluxo e um acionador configurado para vibrar o um ou mais condutos de fluxo. O fluxímetro vibratório compacto também compreende uma frequência de transmissão hidráulica máxima no um ou mais condutos de fluxo que é menor do que cerca de 250 Hertz (Hz). O fluxímetro vibratório compacto também compreende uma relação de aspectos (L/H) do um ou mais condutos de fluxo que é maior do que cerca de 2,5 e uma razão de altura para calibre (H/B) do um ou mais condutos de fluxo que é menor do que cerca de 10. O fluxímetro vibratório compacto também compreende uma geometria de conduto de fluxo curvada no um ou mais condutos de fluxo que inclui ângulos de curva de extremidade Θ entre cerca de 120 graus e cerca de 170 graus.
[010] Um método para construir um fluxímetro vibratório compacto para a medição de características de fluxo de um material de fluxo polifásico em uma pressão de material de fluxo maior do que cerca de 10 libras por polegada quadrada (psi) (69 kPa) é provido de acordo com uma modalidade da invenção. O método compreende prover um ou mais condutos de fluxo, prover pelo menos dois sensores
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5/19 de movimento afixados no um ou mais condutos de fluxo e prover um acionador configurado para vibrar o um ou mais condutos de fluxo. O método também compreende prover uma frequência de transmissão hidráulica máxima que é menor do que cerca de 250 Hertz (Hz), provendo uma relação de aspectos (L/H) do um ou mais condutos de fluxo que é maior do que cerca de 2,5 e prover uma razão de altura para calibre (H/B) do um ou mais condutos de fluxo que é menor do que cerca de 10. O método também compreende prover uma geometria de conduto de fluxo curvada no um ou mais condutos de fluxo que inclui ângulos de curva de extremidade Θ entre cerca de 120 graus e cerca de 170 graus.
[011] Um método para a construção de um fluxímetro vibratório compacto para medição das características de fluxo de um material de fluxo polifásico em uma pressão de material de fluxo maior do que cerca de 10 libras por polegada quadrada (psi) (69 kPa) é provido de acordo com uma modalidade da invenção. O método compreende prover um ou mais condutos de fluxo, prover pelo menos dois sensores de movimento afixados no um ou mais condutos de fluxo e prover um acionador configurado para vibrar o um ou mais condutos de fluxo. O método também compreende prover uma queda de pressão predeterminada no um ou mais condutos de fluxo e prover uma taxação de pressão predeterminada no um ou mais condutos de fluxo. O método também compreende prover uma relação de aspectos (L/H) do um ou mais condutos de fluxo que é maior do que cerca de 2,5 e prover uma razão de altura para calibre (H/B) que é menor do que cerca de 10. O método também compreende prover ângulos de curva de extremidade Θ entre cerca de 120 graus a cerca de 170 graus no um ou mais condutos de fluxo e prover uma frequência de transmissão hidráulica máxima que é menor do que cerca de 250 Hertz (Hz).
Aspectos da Invenção [012] Em um aspecto do fluxímetro vibratório compacto, a frequência de transmissão hidráulica máxima é menor do que cerca de 200 Hz.
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6/19 [013] Em um outro aspecto do fluxímetro vibratório compacto, a frequência de transmissão hidráulica máxima é baseada em um comprimento efetivo Le do um ou mais condutos de fluxo, um momento de inércia (I) do um ou mais condutos de fluxo, uma ou mais massas de equilíbrio afixadas no um ou mais condutos de fluxo e a geometria do conduto do um ou mais condutos de fluxo.
[014] Em ainda um outro aspecto do fluxímetro vibratório compacto, a frequência de transmissão hidráulica máxima é baseada em uma precisão de densidade aceitável mínima predeterminada do fluxímetro vibratório compacto para um material de fluxo polifásico.
[015] Em ainda um outro aspecto do fluxímetro vibratório compacto, o um ou mais condutos de fluxo compreendem um ou mais condutos de fluxo substancialmente de auto-drenagem.
[016] Em ainda um outro aspecto do fluxímetro vibratório compacto, o fluxímetro vibratório compacto também compreende uma queda de pressão predeterminada no um ou mais condutos de fluxo.
[017] Em ainda um outro aspecto do fluxímetro vibratório compacto, o fluxímetro vibratório compacto também compreende uma queda de pressão predeterminada no um ou mais condutos de fluxo que é baseada em um comprimento de trajetória de fluxo total Lt predeterminada, um fator de atrito de medidor (f) predeterminado, um diâmetro interno (ID) de conduto predeterminado, uma densidade de fluido (pf) predeterminada e uma velocidade de fluxo (V) predeterminada.
[018] Em ainda um outro aspecto do fluxímetro vibratório compacto, o fluxímetro vibratório compacto também compreende uma taxação de pressão predeterminada no um ou mais condutos de fluxo.
[019] Em um aspecto do método, a frequência de transmissão hidráulica máxima é menor do que cerca de 200 Hz.
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7/19 [020] Em um outro aspecto do método, o método também compreende determinar a frequência de transmissão hidráulica máxima com base em um comprimento efetivo Le do um ou mais condutos de fluxo, um momento de inércia (I) do um ou mais condutos de fluxo, uma ou mais massas de equilíbrio afixadas no um ou mais condutos de fluxo e a geometria do conduto do um ou mais condutos de fluxo.
[021] Em ainda um outro aspecto do método, o método também compreende determinar a frequência de transmissão hidráulica máxima com base em uma precisão da densidade aceitável mínima predeterminada do fluxímetro vibratório compacto para um material de fluxo polifásico.
[022] Em ainda um outro aspecto do método, o um ou mais condutos de fluxo compreendem um ou mais condutos de fluxo substancialmente de autodrenagem.
[023] Em ainda um outro aspecto do método, o método também compreende prover uma queda de pressão predeterminada no um ou mais condutos de fluxo.
[024] Em ainda um outro aspecto do método, o método também compreende prover uma queda de pressão predeterminada no um ou mais condutos de fluxo que é baseada em um comprimento da trajetória de fluxo total Lt predeterminada, um fator de atrito de medidor (f) predeterminado, um diâmetro interno (ID) do conduto predeterminado, uma densidade de fluido (pf) predeterminada e uma velocidade de fluxo (V) predeterminada.
[025] Em ainda um outro aspecto do método, o método também compreende prover uma taxação de pressão predeterminada no um ou mais condutos de fluxo.
Descrição dos Desenhos [026] O mesmo número de referência representa o mesmo elemento em todos os desenhos.
[027] A FIG. 1 mostra um fluxímetro vibratório em formato de U da técnica
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8/19 anterior.
[028] A FIG. 2 mostra um fluxímetro vibratório compacto de acordo com uma modalidade da invenção.
[029] A FIG. 3 mostra componentes do fluxímetro vibratório compacto de acordo com uma modalidade da invenção.
[030] A FIG. 4 é um gráfico da diferença de frequência (isto é, erro de frequência) da frequência real contra a frequência medida sobre uma faixa de frações de vazio.
[031] A FIG. 5 é um gráfico de erro de densidade sobre uma faixa de frações de vazio.
[032] As FIGS. 6A-6B mostram um aspecto de auto-drenagem do fluxímetro vibratório compacto.
[033] A FIG. 7 é um fluxograma de um método para a construção de um fluxímetro vibratório compacto para a medição das características de fluxo de um material de fluxo polifásico de acordo com uma modalidade da invenção.
Descrição Detalhada da Invenção [034] As FIGS. 2-7 e a descrição seguinte representam exemplos específicos para ensinar aqueles versados na técnica como fazer e usar o melhor modo da invenção. Com a finalidade de ensinar os princípios inventivos, alguns aspectos convencionais foram simplificados ou omitidos. Aqueles versados na técnica verificarão variações desses exemplos que se situam dentro do escopo da invenção. Aqueles versados na técnica verificarão que os aspectos descritos abaixo podem ser combinados em várias maneiras para formar múltiplas variações da invenção. Como um resultado, a invenção não é limitada aos exemplos específicos descritos abaixo, mas somente pelas reivindicações e seus equivalentes.
[035] A FIG. 2 mostra um fluxímetro vibratório compacto 200 de acordo com uma modalidade da invenção. O fluxímetro vibratório compacto 200 inclui tubos de
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9/19 distribuição 104, flanges 105, um invólucro 102 e uma porção de conduto 106. O fluxímetro vibratório compacto 200 inclui um ou mais condutos de fluxo 301 (ver FIG. 3) como parte da porção de conduto 106 dentro do invólucro 102. Em algumas modalidades, o fluxímetro vibratório compacto 200 pode incluir dois condutos de fluxo 301. O um ou mais condutos de fluxo 301 podem compreender condutos de fluxo curvados.
[036] O fluxímetro vibratório compacto 200 em uma modalidade compreende um fluxímetro Coriolis. Em uma outra modalidade, o fluxímetro vibratório compacto 200 compreende um densitômetro de vibração.
[037] O fluxímetro vibratório compacto 200 pode ser projetado para atingir uma precisão de medição mínima desejada. O fluxímetro vibratório compacto 200 pode ser projetado para atingir uma precisão de medição de densidade mínima. O fluxímetro vibratório compacto 200 pode ser projetado para atingir uma precisão de medição de densidade mínima para um material de fluxo polifásico. O fluxímetro vibratório compacto 200 pode medir ambas as características de fluxo e sem fluxo do material de fluxo.
[038] Muitos fatores podem afetar a operação (e, portanto, a precisão) de um fluxímetro vibratório. Três dos fatores mais importantes que afetam a operação são a frequência de transmissão que é usada para vibrar o um ou mais condutos de fluxo, a pressão do material de fluxo e a geometria do conduto de fluxo. O projeto apropriado de um fluxímetro vibratório compacto pode ser geralmente realizado através da seleção apropriada desses três fatores, mesmo para uso com um material de fluxo polifásico.
[039] Um fluxímetro vibratório compacto de acordo com a invenção inclui uma frequência de transmissão menor do que cerca de 250 Hertz (Hz) em qualquer fluido que inclua água, tal como um material de fluxo de cimento, por exemplo. Em algumas modalidades, a frequência de transmissão é menor do que cerca de 200
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Hz. A frequência de transmissão pode ser baseada em um comprimento efetivo Le do um ou mais condutos de fluxo 301, um momento de inércia (I) do um ou mais condutos de fluxo 301 e a geometria do um ou mais condutos de fluxo 301. Além disso, a frequência de transmissão pode ser também afetada por uma ou mais massas de equilíbrio que podem ser afixadas opcionalmente no um ou mais condutos de fluxo 301, como necessário. O comprimento efetivo Le pode depender da geometria do conduto de fluxo. A espessura da parede do conduto de fluxo pode depender da pressão do material de fluxo. O momento de inércia (I) pode depender do diâmetro interno do conduto de fluxo e da espessura da parede do conduto de fluxo, entre outras coisas. Além disso, a frequência de transmissão pode ser baseada em uma precisão de densidade aceitável mínima predeterminada (ver FIG. 4 e a discussão acompanhante).
[040] Um fluxímetro vibratório compacto de acordo com a invenção inclui uma pressão do material de fluxo que é maior do que cerca de 10 libras por polegada quadrada (psi) (69 kPa). Em algumas modalidades, a pressão do material de fluxo fica entre cerca de 10 psi (69 kPa) e cerca de 475 psi (3277,5 kPa). Em algumas modalidades, a pressão do material de fluxo é maior do que cerca de 15 psi (103,5 kPa). A pressão do material de fluxo pode ser selecionada de acordo com uma aplicação desejada ou pode ser especificada por um usuário final.
[041] Um fluxímetro vibratório compacto de acordo com a invenção inclui uma geometria compacta predeterminada. A geometria compacta predeterminada pode incluir uma ou mais de uma relação de aspectos (L/H) predeterminada, uma razão de altura para calibre (H/B) predeterminada ou uma geometria de conduto de fluxo curvado. A relação de aspectos (L/H) predeterminada é maior do que cerca de 2,5. A razão de altura para calibre (H/B) predeterminada é menor do que cerca de
10. A geometria do conduto de fluxo curvado pode incluir ângulos de curva de extremidade Θ entre 120 graus e cerca de 170 graus. A geometria de conduto de
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11/19 fluxo curvado pode ser substancialmente de auto-drenagem.
[042] O fluxímetro vibratório compacto 200 pode também incluir uma queda de pressão (AP) predeterminada no um ou mais condutos de fluxo 301. A queda de pressão (AP) predeterminada pode ser baseada em um comprimento de trajetória de fluxo total Lt predeterminado (ver FIG. 3), fator de atrito de medidor (f) predeterminado, um diâmetro interno (ID) do conduto predeterminado, uma densidade de fluido (pf) predeterminada e uma velocidade de fluxo (V) predeterminada. Em uma modalidade, a queda de pressão (AP) predeterminada pode ser calculada de acordo com a fórmula:
AP = f
ID (1) [043] O fluxímetro vibratório compacto 200 pode também incluir uma taxação de pressão predeterminada no um ou mais condutos de fluxo 301. A taxação de pressão predeterminada pode ser selecionada de acordo com uma aplicação particular ou por um usuário final.
[044] O fluxímetro vibratório compacto 200 em algumas modalidades é construído para ter uma alta relação de aspectos. Em uma modalidade, o comprimento geral do medidor (L) é substancialmente a distância entre tubos de distribuição 104 do fluxímetro (ver FIG. 2), enquanto a altura geral do medidor (H) é substancialmente a distância entre uma linha central dos tubos de distribuição de entrada/saída e a linha central mais distante (isto é, o centro do pico da porção curvada). A relação de aspectos é, portanto, uma quantificação aproximada do tamanho geral e forma do fluxímetro. Uma alta relação de aspectos (L/H) conota que o fluxímetro tem uma pequena altura comparada com o seu comprimento. Portanto, o fluxímetro vibratório compacto 200 de acordo com a invenção é relativamente pequeno e, portanto, fácil de acomodar na maior parte das aplicações de medição. A alta relação de aspectos possibilita que o fluxímetro vibratório compacto 200 seja instalado em espaços pequenos. A alta relação de aspectos possibilita que o
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12/19 fluxímetro vibratório compacto 200 seja usado em mais aplicações. Em uma modalidade, o fluxímetro vibratório compacto 200 pode ser usado em uma operação de invólucro de cimento, incluindo na maquinaria para mistura e/ou bombeamento de cimento líquido. Outros usos e outros materiais de fluxo são considerados e estão dentro do escopo da descrição e reivindicações.
[045] A razão de altura para calibre (H/B) compreende uma razão da altura (definida acima) para um diâmetro interno de um tubo de distribuição de entrada/saída. A razão de altura para calibre (H/B) reflete a relação entre a altura vertical do fluxímetro vibratório compacto para os calibres de entrada/saída e, portanto, o tamanho do conduto de fluxo. O calibre, portanto, influencia a velocidade de fluxo (V) e o fator de atrito do medidor (f) para uma dada pressão do material de fluxo. Em um fluxímetro de conduto de fluxo único, o calibre (B) geralmente é do mesmo diâmetro que o conduto de fluxo. Entretanto, o calibre não tem que ser o mesmo que o diâmetro interno de um conduto de fluxo.
[046] O fluxímetro vibratório compacto 200 retrata uma baixa frequência de transmissão para um material de fluxo, incluindo para um material de fluxo de cimento, por exemplo. Essa baixa frequência de transmissão é atingida mesmo enquanto atingindo uma alta relação de aspectos e, portanto, um projeto geral compacto. Na técnica anterior, o engenheiro projetista poderia escolher um projeto de fluxímetro de frequência de transmissão baixa ou um projeto de fluxímetro compacto, mas não ambos.
[047] A frequência de transmissão é a frequência na qual o um ou mais condutos de fluxo 301 são vibrados de modo a medir as características de fluxo do material de fluxo. A frequência de transmissão é tipicamente selecionada para ficar em ou abaixo de uma frequência ressonante do material de fluxo. Portanto, a frequência de transmissão pode variar de acordo com a composição do material de fluxo. Além disso, a frequência de transmissão é afetada pela característica de
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13/19 dureza do fluxímetro. À medida que a característica de dureza aumenta, a frequência de transmissão também tipicamente aumenta. A dificuldade básica em prover um fluxímetro compacto retratando uma baixa frequência de transmissão é que reduções na relação de aspectos/tamanho geral aumentam a característica de dureza. Por exemplo, um aspecto do projeto é o comprimento geral do medidor (L). Sem quaisquer outras mudanças sendo feitas em um fluxímetro, a característica de dureza aumenta à medida que o comprimento geral do medidor (L) diminui. Um outro aspecto de projeto que afeta a característica de dureza é o comprimento efetivo Le de uma porção de vibração de um conduto de fluxo 301 (ver FIG. 3). O comprimento efetivo Le é menor do que o comprimento da trajetória de fluxo total Lt para um fluxímetro de conduto reto ou curvado. O comprimento efetivo Le pode ser diminuído diminuindo o comprimento da trajetória de fluxo total Lt ou pela adição de barras de braçadeira, suportes angulares, etc., que restringem as extremidades dos condutos de fluxo. Além disso, o comprimento efetivo Le pode ser diminuído por mudanças na configuração de um fluxímetro. Por exemplo, um tubo de fluxo em formato de U tem um comprimento efetivo Le muito maior do que um fluxímetro de conduto reto (ver FIGS. 1 e 3). Como um resultado, com a mudança para um conduto de fluxo reto ou um conduto de fluxo moderadamente curvado, a característica de dureza e a frequência de transmissão do fluxímetro serão grandemente aumentadas.
[048] O fluxímetro de acordo com as modalidades da invenção não é meramente um fluxímetro da técnica anterior reduzido. O fluxímetro de acordo com as modalidades da invenção é projetado de modo que a frequência de transmissão é menor, ou até mesmo muito menor, do que a frequência ressonante do material de fluxo. Idealmente, a frequência de transmissão do medidor deve ficar a uma distância discernível da frequência ressonante do material de fluxo. Como um resultado, o fluxímetro de acordo com as modalidades da invenção provê um
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14/19 fluxímetro vibratório compacto de pequeno perfil, de auto-drenagem, enquanto ainda atingindo uma precisão de medição desejada, mesmo na presença de quantidades variadas de gás carreado.
[049] A FIG. 3 mostra componentes do fluxímetro vibratório compacto 200 de acordo com uma modalidade da invenção. O fluxímetro vibratório compacto 200 inclui, além dos componentes mostrados e discutidos na FIG. 2, um ou mais condutos de fluxo 301, barras de braçadeira 306, sensores de movimento 308 e um acionador 309. Outros componentes podem também ser incluídos, tais como sensores de movimento, sensores de temperatura e/ou pressão, eletrônica de medidor, equilíbrios de massa 316 quando necessário, etc.
[050] Os condutos de fluxo 301 compreendem condutos de fluxo curvados e incluem uma porção curvada formada de pelo menos duas porções de curva de extremidade 314 e uma porção de curva central 312. As duas porções de curva de extremidade 314 compreendem, cada uma, ângulos de curva de extremidade Θ entre cerca de 120 graus a cerca de 170 graus. Na modalidade mostrada, os ângulos de curva de extremidade Θ compreendem curvas de cerca de 145 graus. A porção curvada pode aumentar o comprimento efetivo Le, já que ângulos de curva de extremidade Θ menores podem tornar os condutos de fluxo mais em formato de U e, portanto, podem aumentar o comprimento efetivo Le.
[051] O fluxímetro vibratório compacto 200 pode incluir barras de braçadeira 306. As barras de braçadeira 306 são utilizadas para apoiar as extremidades do conduto de fluxo 301. Em uma modalidade que inclui dois condutos de fluxo 301, as barras de braçadeira 306 podem adicionalmente afixar os condutos de fluxo 301 entre si. As barras de braçadeira 306 podem estabelecer um comprimento efetivo Le do fluxímetro 200. Pelo fato de que o comprimento efetivo Le pode afetar a característica de dureza do fluxímetro vibratório compacto 200, o comprimento efetivo Le é modificado de modo a obter a frequência de transmissão desejada. Em
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15/19 algumas modalidades, as barras de braçadeira 306 são instaladas tão separadas quanto possível de modo a reduzir a frequência de transmissão do fluxímetro vibratório compacto 200, enquanto mantendo uma separação modal/desempenho do medidor desejável. Alternativamente, em algumas modalidades, as barras de braçadeira 306 são deixadas fora de modo a maximizar o comprimento efetivo Le.
[052] Uma outra característica que pode afetar a operação do fluxímetro vibratório compacto 200 é o calibre interno (B) do um ou mais condutos de fluxo 301 (ver FIG. 3). O calibre é o diâmetro interno das entradas e saídas do fluxímetro vibratório compacto 200, tal como nos tubos de distribuição 104. A área transversal do calibre em uma modalidade é substancialmente igual à(s) área(s) transversal(is) do(s) conduto(s) de fluxo. Uma razão de altura para calibre, portanto, é um indicador da quantidade de curva no fluxímetro por área transversal. Em uma modalidade da invenção, a razão de altura para calibre (H/B) é menor do que cerca de 10.
[053] Uma outra característica que pode afetar a operação do fluxímetro vibratório compacto 200 á a presença adicionada de pesos de equilíbrio 316 presos no um ou mais condutos de fluxo 301. Os pesos de equilíbrio adicionados 316 afetam a massa geral dos condutos de fluxo 301 embora não substancialmente afetando a característica de dureza. Portanto, os pesos de equilíbrio 316 podem afetar a frequência de transmissão. O aumento da massa dos condutos de fluxo 301 reduz a frequência de transmissão.
[054] Ainda uma outra característica que pode afetar a operação do fluxímetro vibratório compacto 200 é a espessura da parede dos condutos de fluxo 301. A espessura da parede é geralmente escolhida para acomodar a pressão do material de fluxo. Entretanto, uma parede de conduto mais grossa aumentará a característica de dureza do conduto de fluxo 301. Portanto, no fluxímetro vibratório compacto 200 de acordo com a invenção, a espessura da parede é escolhida para ser relativamente fina de modo a obter uma frequência de transmissão menor. Isso é
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16/19 possível onde o material de fluxo não está em uma alta pressão.
[055] A FIG. 4 é um gráfico da diferença de frequência (isto é, erro de frequência) da frequência real contra a frequência medida sobre uma faixa de frações de vazio. O gráfico representa valores medidos de um material de fluxo de cimento em uma pressão de 15 psi (103,5 kPa). A linha mais baixa compreende valores de frequência marcados para um fluxímetro da técnica anterior operando em uma frequência de transmissão de 470 Hz. A linha média compreende valores de frequência marcados para um fluxímetro da técnica anterior operando em uma frequência de transmissão de 340 Hz. Em contraste, a linha mais alta compreende valores de frequência marcados da frequência de transmissão do fluxímetro vibratório compacto de acordo com a invenção, onde o fluxímetro vibratório compacto de acordo com a invenção está operando em uma frequência de transmissão de cerca de 170 Hz. Cada uma das respostas de frequência é de um fluxímetro tendo a mesma geometria de conduto de fluxo e diferindo somente em termos de comprimento efetivo Le e espessura da parede do conduto. Pode ser observado a partir do gráfico que a frequência de transmissão do fluxímetro de 170 Hz se desvia de uma resposta real por não mais do que 0,5 Hz por qualquer valor da fração de vazio. Portanto, um fluxímetro vibratório compacto operando em uma frequência abaixo de 250 Hz provê um alto nível de precisão nas medições de frequência. Pode ser observado a partir desse gráfico que um nível desejado de precisão de frequência pode ser atingido, pelo menos em parte, pela seleção de uma frequência de operação apropriadamente baixa.
[056] A FIG. 5 é um gráfico de erro de densidade sobre uma faixa de frações de vazio. O gráfico de erro de densidade é um complemento para o gráfico da diferença da frequência, quando a densidade é aproximadamente igual a 1 sobre a frequência ao quadrado (p = 1/f2). A linha superior compreende valores de densidade marcados para um fluxímetro da técnica anterior operando em uma
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17/19 frequência de transmissão de 470 Hz. A linha média compreende valores de densidade marcados para um fluxímetro da técnica anterior operando em uma frequência de transmissão de 340 Hz. Em contraste, a linha inferior compreende valores de densidade marcados de um fluxímetro vibratório compacto de acordo com a invenção, onde o fluxímetro vibratório compacto de acordo com a invenção está operando em uma frequência de transmissão de 170 Hz. Pode ser observado a partir do gráfico que os valores de densidade medidos pelo fluxímetro de 170 Hz se desviam das densidades reais por não mais do que cerca de 2,1 por cento para qualquer valor de fração de vazio. Portanto, um fluxímetro vibratório compacto operando em uma frequência abaixo de 250 Hz provê um alto nível de precisão nas medições de densidade.
[057] As FIGS. 6A-6B mostram um aspecto de auto-drenagem do fluxímetro vibratório compacto 200. Na FIG. 6A, o(s) conduto(s) de fluxo 301 é/são verticalmente orientado(s). Pelo fato de que o(s) conduto(s) de fluxo 301 retrata(m) uma configuração curvada, incluindo ângulos de curva de extremidade Θ maiores do que 120 graus, qualquer material de fluxo no(s) conduto(s) de fluxo 301 drenará para fora devido à gravidade (ver seta). Da mesma maneira, na FIG. 6B, mesmo quando o(s) conduto(s) de fluxo 301 está instalado em uma orientação horizontal, o material de fluxo drenará para fora do(s) conduto(s) de fluxo 301 (ver duas setas). Esse aspecto de auto-drenagem do fluxímetro vibratório compacto 200 é uma grande melhora sobre os fluxímetros em formato de U, já que o material de fluxo (tal como um material de fluxo de cimento, por exemplo), rapidamente se formará no interior do(s) conduto(s) de fluxo 301 se ele não estiver auto-drenando.
[058] A FIG. 7 é um fluxograma 700 de um método para a construção de um fluxímetro vibratório compacto para medir as características de fluxo de um material de fluxo polifásico de acordo com uma modalidade da invenção. Na etapa 701, uma queda de pressão é provida no fluxímetro vibratório compacto, como previamente
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18/19 discutido. A queda de pressão pode ser escolhida para uma aplicação desejada ou pode ser especificada por um usuário final.
[059] Em uma modalidade, a queda de pressão pode ser determinada usando vários fatores de medidor. Por exemplo, a queda de pressão (AP) pode ser calculada de acordo com a equação (1). Dado um valor de densidade de fluido e uma queda de pressão (AP) de medidor aceitável, o diâmetro interno (ID) do um ou mais condutos de fluxo e o comprimento total da trajetória de fluxo Lt podem ser determinados a partir da equação.
[060] Na etapa 702, uma geometria compacta predeterminada é provida, como previamente discutido.
[061] Na etapa 703, uma taxação de pressão predeterminada é provida no fluxímetro vibratório compacto. A taxação de pressão predeterminada pode especificar um limite de pressão superior aceitável para o fluxímetro vibratório compacto. Além disso, a taxação de pressão predeterminada pode influenciar a espessura da parede do(s) conduto(s) de fluxo.
[062] Na etapa 704, ângulos de curva de extremidade Θ predeterminados são providos no fluxímetro vibratório compacto, como previamente discutido. Os ângulos de curva de extremidade Θ podem variar de acordo com uma geometria do conduto de fluxo e de acordo com um comprimento efetivo Le do conduto de fluxo desejado. Os ângulos de curva de extremidade Θ no fluxímetro vibratório compacto de acordo com a invenção variam de cerca de 120 graus a cerca de 170 graus. Os ângulos de curva de extremidade Θ criam a forma curvada do(s) conduto(s) de fluxo.
[063] Na etapa 705, uma frequência de transmissão é provida no fluxímetro vibratório compacto. A frequência de transmissão é menor do que cerca de 250 Hz. Em algumas modalidades, a frequência de transmissão é menor do que cerca de 200 Hz. A frequência de transmissão pode ser determinada como uma função de outros parâmetros do fluxímetro, como previamente discutido.
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19/19 [064] O fluxímetro vibratório compacto de acordo com a invenção pode ser utilizado de acordo com qualquer uma das modalidades de modo a prover várias vantagens, se desejado. A invenção provê um fluxímetro vibratório compacto que retrata um pequeno perfil e uma alta relação de aspectos. A invenção provê um fluxímetro vibratório compacto que vantajosamente oferece uma baixa frequência de transmissão hidráulica máxima. A invenção provê um fluxímetro vibratório compacto que vantajosamente oferece uma baixa frequência de transmissão máxima que é muito menor do que a frequência de transmissão de um fluxímetro da técnica anterior de um mesmo tamanho geral e perfil.

Claims (16)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Fluxímetro vibratório compacto para a medição das características de fluxo de um material de fluxo polifásico em uma pressão do material de fluxo maior do que 10 libras por polegada quadrada (psi) (69 kPa), o fluxímetro vibratório compacto (200) compreendendo um ou mais condutos de fluxo (301), pelo menos dois sensores de movimento (308) afixados no um ou mais condutos de fluxo (301) e um acionador (309) configurado para vibrar o um ou mais condutos de fluxo (301), com o fluxímetro vibratório compacto (200) compreendendo:
    uma relação de aspectos (L/H) do um ou mais condutos de fluxo (301) que é maior do que 2,5;
    uma geometria de conduto de fluxo curvada no um ou mais condutos de fluxo (301) que inclui ângulos de curva de extremidade Θ entre 120 graus e 170 graus o fluxímetro vibratório compacto sendo CARACTERIZADO por:
    uma frequência de transmissão hidráulica máxima no um ou mais condutos de fluxo (301) que é menor do que 250 Hertz (Hz), com a frequência de transmissão hidráulica máxima sendo baseada em um comprimento efetivo Le do um ou mais condutos de fluxo (301);
    uma razão de altura para calibre (H/B) do um ou mais condutos de fluxo (301) que é menor do que 10.
  2. 2. Fluxímetro vibratório compacto, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a frequência de transmissão hidráulica máxima é menor do que 200 Hz.
  3. 3. Fluxímetro vibratório compacto, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a frequência de transmissão hidráulica máxima é adicionalmente baseada em um momento de inércia (I) do um ou mais condutos de fluxo (301), uma ou mais massas de equilíbrio afixadas no um ou mais condutos
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    2/4 de fluxo (301) e a geometria do conduto do um ou mais condutos de fluxo (301).
  4. 4. Fluxímetro vibratório compacto, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a frequência de transmissão hidráulica máxima é baseada em uma precisão de densidade aceitável mínima predeterminada do fluxímetro vibratório compacto (200) para um material de fluxo polifásico.
  5. 5. Fluxímetro vibratório compacto, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o um ou mais condutos de fluxo (301) compreendem um ou mais condutos de fluxo substancialmente de auto-drenagem.
  6. 6. Fluxímetro vibratório compacto, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que também compreende uma queda de pressão predeterminada no um ou mais condutos de fluxo (301).
  7. 7. Fluxímetro vibratório compacto, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que também compreende uma queda de pressão predeterminada no um ou mais condutos de fluxo (301) que é baseada em um comprimento de trajetória de fluxo total Lt predeterminada, um fator de atrito de medidor (f) predeterminado, um diâmetro interno (ID) de conduto predeterminado, uma densidade de fluido (pf) predeterminada e uma velocidade de fluxo (V) predeterminada.
  8. 8. Fluxímetro vibratório compacto, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que também compreende uma taxação de pressão predeterminada no um ou mais condutos de fluxo (301).
  9. 9. Método para construir um fluxímetro vibratório compacto para a medição de características de fluxo de um material de fluxo polifásico em uma pressão de material de fluxo maior do que 10 libras por polegada quadrada (psi) (69 kPa), o método compreendendo prover um ou mais condutos de fluxo, prover pelo menos dois sensores de movimento afixados no um ou mais condutos de fluxo e prover um acionador configurado para vibrar o um ou mais condutos de fluxo, com o método
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    3/4 compreendendo:
    prover uma relação de aspectos (L/H) do um ou mais condutos de fluxo que é maior do que 2,5;
    prover uma geometria de conduto de fluxo curvada no um ou mais condutos de fluxo que inclui ângulos de curva de extremidade Θ entre 120 graus e 170 graus o método sendo CARACTERIZADO por:
    prover uma frequência de transmissão hidráulica máxima que é menor do que 250 Hertz (Hz), com a frequência de transmissão hidráulica máxima sendo baseada em um comprimento efetivo Le do um ou mais condutos de fluxo (301); e prover uma razão de altura para calibre (H/B) do um ou mais condutos de fluxo que é menor do que 10.
  10. 10. Método, de acordo com a reivindicação 9, CARACTERIZADO pelo fato de que a frequência de transmissão hidráulica máxima é menor do que 200 Hz.
  11. 11. Método, de acordo com a reivindicação 9, CARACTERIZADO pelo fato de que também compreende determinar a frequência de transmissão hidráulica máxima adicionalmente com base em um momento de inércia (I) do um ou mais condutos de fluxo, uma ou mais massas de equilíbrio afixadas no um ou mais condutos de fluxo e a geometria do conduto do um ou mais condutos de fluxo.
  12. 12. Método, de acordo com a reivindicação 9, CARACTERIZADO pelo fato de que também compreende determinar a frequência de transmissão hidráulica máxima com base em uma precisão da densidade aceitável mínima predeterminada do fluxímetro vibratório compacto para um material de fluxo polifásico.
  13. 13. Método, de acordo com a reivindicação 9, CARACTERIZADO pelo fato de que o um ou mais condutos de fluxo compreendem um ou mais condutos de fluxo substancialmente de auto-drenagem.
  14. 14. Método, de acordo com a reivindicação 9, CARACTERIZADO pelo fato de que também compreende prover uma queda de pressão predeterminada no um
    Petição 870190073668, de 31/07/2019, pág. 30/32
    4/4 ou mais condutos de fluxo.
  15. 15. Método, de acordo com a reivindicação 9, CARACTERIZADO pelo fato de que também compreende prover uma queda de pressão predeterminada no um ou mais condutos de fluxo que é baseada em um comprimento da trajetória de fluxo total Lt predeterminada, um fator de atrito de medidor (f) predeterminado, um diâmetro interno (ID) do conduto predeterminado, uma densidade de fluido (pf) predeterminada e uma velocidade de fluxo (V) predeterminada.
  16. 16. Método, de acordo com a reivindicação 9, CARACTERIZADO pelo fato de que também compreende prover uma taxação de pressão predeterminada no um ou mais condutos de fluxo.
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