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WO2014078918A1 - Flowmeter with central venturi tube - Google Patents

Flowmeter with central venturi tube Download PDF

Info

Publication number
WO2014078918A1
WO2014078918A1 PCT/BR2012/000474 BR2012000474W WO2014078918A1 WO 2014078918 A1 WO2014078918 A1 WO 2014078918A1 BR 2012000474 W BR2012000474 W BR 2012000474W WO 2014078918 A1 WO2014078918 A1 WO 2014078918A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
flow
central body
venturi
main
central
Prior art date
Application number
PCT/BR2012/000474
Other languages
French (fr)
Portuguese (pt)
Inventor
Alcino Resende De Almeida
Rafael MENDES
Fábio SOARES DE LIMA
Antonio Carlos Ferreira Lino
Carlos Alberto Dias Da Silva
Original Assignee
Petróleo Brasileiro S.A. - Petrobras
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Petróleo Brasileiro S.A. - Petrobras filed Critical Petróleo Brasileiro S.A. - Petrobras
Priority to BR112015002631-1A priority Critical patent/BR112015002631B1/en
Priority to PCT/BR2012/000474 priority patent/WO2014078918A1/en
Publication of WO2014078918A1 publication Critical patent/WO2014078918A1/en

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/05—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects
    • G01F1/34—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by measuring pressure or differential pressure
    • G01F1/36—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by measuring pressure or differential pressure the pressure or differential pressure being created by the use of flow constriction
    • G01F1/40—Details of construction of the flow constriction devices
    • G01F1/44—Venturi tubes

Definitions

  • the present invention relates to a flow measuring device, preferably gas, by means of a sonic venturi. Unlike most sonic venturi meters, which typically have calibration purposes, the invention has direct application in the industrial park, in areas such as production and fluid transfer, among others.
  • Flow measurement can currently be done by a variety of methods and there is a wide variety of meter types, and one of the widely used meter classes in industry generally operates from the pressure differentials measured upstream and downstream of a choke. .
  • differential pressure generating elements are constraints, such as orifice plates or even venturis.
  • Orifice plate gauges are the simplest, smallest cost, low maintenance and easily replaceable. Therefore, the most employed. They consist basically of a precisely calculated and perforated sheet metal which is installed between flanges perpendicular to the pipe axis. Their disadvantage is a high pressure drop, which is unrecoverable.
  • Venturi meters are also part of this class of differential pressure meters. Unlike those using orifice plates, they have excellent pressure recovery after restraint, abrasion resistance and produce a much smaller pressure differential. However they have a high cost, maintenance and laborious installation.
  • venturi geometry is widely used due to the low pressure drop, besides allowing greater flow calculation precision since it presents lower uncertainty of the adjustment coefficients between the theoretical model and reality.
  • Venturi-like geometry is most particularly interesting when it has a sonic flow in its smallest section, known as the venturi throat.
  • the sonic nozzles are simple, compact, reliable and mostly accurate. However, given the conditions upstream of a defined sonic nozzle, the critical flow is automatically established, ie the sonic nozzle has virtually no measurable flow range. It is almost a flowmeter for specific values. It is therefore particularly used for calibration of other more flexible (though less accurate) meters and for flow control in certain industrial processes.
  • An example is a flute-type flow divider connected to a number of parallel pipes, each pipe being provided with a sonic nozzle of different throat diameter.
  • the divider is capable of diverting the flow to the branch containing the appropriate flow nozzle presented at the moment of interest.
  • a "drum” or “spool” type rotary housing provided with several parallel sonic nozzles, and with different throat diameters, is connected to a single tube. This drum is rotated until a suitable sonic nozzle for the flow to be measured is aligned with the tube.
  • These solutions in addition to not covering the various flow gradations between each throat gauge of the specified sonic nozzles on the drum, are also difficult to apply as the flow must be interrupted to rotate said drum until the nozzle is located. sonic material with adequate geometry to the expected flow in the pipe.
  • the rods are fragile and represent retention points of any debris, their supporting structures introduce localized and expressive pressure losses affecting the performance of the sonic nozzle. It is therefore not a solution with robustness or precision.
  • venturi nozzles particularly small ones, are costly and difficult to manufacture when tight surface finish and throat tolerance control is desired. This finish is imperative for the accuracy required in flow measurement.
  • the present invention aims to solve by enabling a single adjustable sonic nozzle based on the concept of the central body venturi.
  • the importance of overcoming the limitation imposed to date with the lack of a high performance variable opening sonic mouthpiece is becoming clear.
  • the invention described below aims primarily to provide a sonic nozzle type meter, preferably for gas transport applications, capable of operating over a wide range of flows, with high accuracy and without the need for resources such as drums or tuning deviations. of the operation.
  • the present invention relates to a flow measurement device which has a variable passage area ring, basically consisting of five main components: a central body, a housing, an actuator, two reading zones and a flow processor. flow.
  • the central body in turn is preferably formed by a drop-shaped revolution solid, and may be subdivided into two distinct portions: the first semi-spherical portion facing the flow direction of flow, and the second portion opposed to the first. portion has the end with a tapered-shaped termination.
  • the straight section in which the central body reaches its maximum diameter can be considered as the transition section between the first semi-spherical portion and the second tapered portion.
  • the housing is in the form of two cone trunks opposed by the largest diameter.
  • a first divergent trunk where the central body is coaxially housed, and in sequence a second convergent trunk.
  • the actuator is a precision acting servo device such as a micrometer stepper motor, in which the central body is affixed by means of a fastener such as a rod. Said rod is in turn affixed to the central body in its second tapered portion.
  • the actuator allows the central body to be moved in one direction or another coaxially to the flow so that it preferably always remains within the diverging trunk.
  • the reading zones are located immediately upstream and downstream of the housing and are aligned and of the same diameter as the normal flow pipe to be measured.
  • the upstream reading zone is provided with pressure and temperature sensors, as well as the downstream reading zone, which acts as a flow flow stabilizing portion.
  • the flow processor receives data recorded and transferred by upstream and downstream temperature and pressure sensors, and determines which displacement of the central body should occur in order to establish an open throat flow area necessary to make it sonic. .
  • the displacement is preferably established according to a table or mathematical relationship recorded on the flow processor itself, by monitoring the vibrations of the central body or the temperature difference between the throat and an appropriate position along the diffuser.
  • Figure 1 depicts a schematic side sectional view of the preferred embodiment of the invention. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  • the present invention relates to a fluid flow meter, particularly gas flowing in pipes. It is basically an annular venturi of variable passage area coupled to a control system that, based on information collected in the venturi, determines the passage area in which there is the transition from subcritical flow to critical flow. Once this area is defined and the upstream conditions and fluid properties are known, an accurate flow calculation is possible.
  • the central body venturi nozzle flowmeter (100) is comprised basically of five basic components, namely: a central body (10), a housing (20), an actuator (30), two reading zones (40 and 40 ') and a flow processor (50).
  • the central body (0) is preferably formed by a drop-shaped revolution solid, and may be subdivided into two distinct portions: the first semi-spherical portion (11) directed against the flow direction of flow; the second portion (12), as opposed to the first portion (11), has the end with a tapered shaped termination.
  • the central body (10) has its second tapered portion (12) attached to an actuator (30) by means of a fastener such as a rod (13).
  • the straight section in which the central body (10) reaches its maximum diameter (10 ') can be considered as the transition section between the first semi-spherical portion (11) and the second tapered portion (12).
  • the central body (10) can be manufactured in various simple or composite materials, according to the application requirement in terms of surface finish and tolerances. It can be, for example, manufactured in a lower cost material and covered with a nobler one, making it cheaper to manufacture.
  • the central body (10) is positioned coaxially within a housing (20), in the form of two cone trunks opposed by the largest diameter.
  • the opening angle of the divergent stem (21) of said housing (20) should preferably be in the range 0 to 5 o.
  • the converging trunk (22) is preferably in the range of 15 ° to 25 °.
  • other inclinations may be employed outside these preferred ranges.
  • the central body (10) should be of sufficient length that when mounted within the housing (20), its semi-spherical portion (11) is positioned after the beginning of the divergent trunk (21), and the second tapered portion ( 12), with the respective support rod (13), be positioned before the diverging (21) and converging (22) trunk meeting plane.
  • Said rod (13) is in turn affixed to an actuator (30), a precision actuating servo device such as a micrometer stepper motor.
  • the actuator allows the central body (10) to be moved in one direction or the other, coaxially to the flow, so that it preferably always remains within the diverging trunk (2).
  • Fluid flow occurs in the area formed by the annular between the inner surface of the housing (20) and the outer surface of the central body (10).
  • venturi throat (10" The largest diameter section (10 ') of the central body (10) and which is the transition boundary between the nozzle and the diffuser is called the venturi throat (10 ").
  • the throat (10 ) is infinitesimal in length, being only a straight section, alternatively a finite length throat can be used.
  • the central body (10) in the transition section between the semi-spherical portion (11) and the second tapered portion (12), the central body (10) could have its larger diameter section (10 ') extended over a given length.
  • the reading zones 40 and 40 ' Immediately upstream and downstream of the housing 20 are respectively the reading zones 40 and 40 ', aligned and of the same diameter as the normal flow pipe to be measured.
  • the upstream reading zone (40) is provided with pressure and temperature sensors (41). Alternatively a point of collection and analysis of fluid composition may also be provided.
  • the downstream reading zone 40 ' is also provided with pressure and temperature sensors (41'), but acts as a flow flow stabilizing portion.
  • the data recorded by sensors 41 and 41 ' are transferred to a flow processor 50.
  • the central body venturi nozzle flowmeter (100) basically consists of a central body venturi nozzle that can be coaxially displaced in a controlled manner within a housing (20).
  • the area of greatest flow restriction, that is, the throat area (10 ") of the nozzle venturi is variable.
  • the proposed meter functions as a sonic nozzle with a variable opening aligned with the flow.
  • Fluid from a certain source flows through the tubing and accesses the central body venturi nozzle flowmeter (100) through the reading zone (40), passes through the annular between the housing (20) and the central body (10) and after leaving the housing (20), flows through the reading area (40 ') to its final destination.
  • the central body venturi nozzle flowmeter (100) allows critical flow to be established with little pressure drop.
  • the movement of the central body (10) is accomplished by means of a micrometric stepper motor, well known in the state of the art, and the displacement of the central body (10) establishes the open throat flow area (10 ") according to table or mathematical relationship recorded in the flow processor (50).
  • the flow processor (50) monitors upstream and downstream pressures and temperatures, and determines which displacement of the central body (10) must occur in order to establish an open throat flow area (10 ") necessary to render him sonic.
  • This required displacement can be determined by processing, for example, from mathematical relationships based on previous experimental tests.
  • the flow rate should be increased until a critical flow in the throat region is reached, at this point it is known that a shock wave is generated within the venturi, confirming that a critical fluid flow has been established.
  • the throat area is varied by changing the positioning of the central body (10) until the sonic flow is established in the annular throat (10 "). pressure, temperature and composition of the fluid upstream of the central body, the flow rate of the network can be accurately calculated.
  • the displacement of the central body (10) may be determined by a pressure sensor internally provided with the central body itself (10) (not shown in Figure 1), capable of measuring the flow pressure in the throat (10 "). This additional information is monitored by the flow processor (50) to more accurately determine the correct position the central body (10) must be in so that the venturi throat (10 ") flow is sonic.
  • the invention provides a venturi meter that alters its throat area until critical flow to the network flow is achieved.
  • Flow processor 50 is also capable of accounting, if available, for fluid composition provided by an online chromatograph not shown in the figure. With this data the flow rate can be established more accurately.
  • the vibrations of the shock waves during their displacement within the housing (20), caused by the sudden passage of supersonic to subsonic flow along the diffuser section, can be captured by a sensor provided in the central body (10). , and sent to the flow processor (50).
  • the positioning of the central body (10) is varied until it is realized that the shock wave has shifted along the second tapered portion (12) until it reaches the throat (10 ") exactly, when then there is no longer a wave of shock.
  • the flow rate can be calculated with high precision.
  • temperatures in the throat (10 ") and in a position along the venturi diffuser are monitored.
  • the central body (10) is displaced until the difference between these temperatures reaches a maximum meaning that the critical flow was established with the smallest pressure difference along the venturi, meaning that the throat flow (10 " ) is sonic.
  • Configurative changes to housing 20 may be introduced without changing the inventive working principle of the central body venturi nozzle flowmeter 100, for example, the first section housing the central body 10 may be altered. convergent and what you ! remains divergent, or the housing 20 may have a profile with a certain curvature (as opposed to the linear profile shown in Figure 1) so that, for example, the variation in the throat area (10 ") caused by the displacement rather than quadratic, follow another law of variation more convenient for control from the flow processor Smooth transitions between measuring sections 40 and 40 'and the housing (20) may also be added. This does not alter the operating principle of the invention.
  • the conformation of the first portion (11) may be in the form of a cone or a semi-ellipsoid.
  • Vibration-induced central body vibrations may be compensated for by the central body's sustaining shape, by altering the body's rigidity, either by employing suitable materials or with a hollow conformation, especially in the nozzle region. They can even be compensated via software on the flow processor.
  • Another unquestionable advantage of adopting the proposed device is that, since it is extremely easy to adapt it to establish a sonic flow in a network whose volume is totally unknown, it can be adopted in all operating units that require precision flow measurement. .
  • the invention can be further used to advantage in certain specific applications where it is desired to impose a prescribed flow rate to feed a system.
  • the flow processor may adjust the central body to pass the prescribed flow rate by incorporating in one element the measurement and control, whereas in the conventional solution these elements are separated.

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Abstract

The present invention relates to a flow-measuring device that has an annulus of variable passage area that is coaxial to the flow to be measured. Owing to the capacity thereof to adjust the annular area of the throat until a sonic flow is established, the invention may be used directly in industry, in areas such as production and transfer of fluids, inter alia.

Description

MEDIDOR DE VAZÃO COM BOCAL VENTURI DE CORPO CENTRAL FLOW METER WITH CENTRAL BODY VENTURI
CAMPO DA INVENÇÃO FIELD OF INVENTION
A presente invenção se refere a um equipamento de medição de vazão, preferencialmente de gás, por meio de venturi do tipo sônico. Diferentemente da maioria dos medidores venturi do tipo sônico, que apresentam fins tipicamente de calibração, a invenção tem aplicação diretamente no parque industrial, em áreas como de produção e de transferência de fluidos, dentre outras.  The present invention relates to a flow measuring device, preferably gas, by means of a sonic venturi. Unlike most sonic venturi meters, which typically have calibration purposes, the invention has direct application in the industrial park, in areas such as production and fluid transfer, among others.
FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO BACKGROUND OF THE INVENTION
A indústria petrolífera processa e transporta por meio de redes de tubulações milhões de metros cúbicos de derivados de petróleo por ano, que ao final do processo são transferidos entre empresas, e grande parte desse volume é medida por meio de medidores de vazão.  The oil industry processes and transports pipelines millions of cubic meters of oil products per year, which at the end of the process are transferred between companies, and much of this volume is measured by flow meters.
O processamento especificamente dos gases derivados do petróleo, representa uma significativa parcela em um parque petroquímico, e o controle de escoamento deve ser precisamente contabilizado.  The specific processing of petroleum gases represents a significant portion in a petrochemical park, and flow control must be precisely accounted for.
A medição de vazão atualmente pode ser feita por diversos métodos e existe uma grande variedade de tipos de medidores, sendo que uma das classes de medidores muito empregada na indústria em geral opera a partir dos diferenciais de pressão medidos à montante e à jusante de um estrangulamento.  Flow measurement can currently be done by a variety of methods and there is a wide variety of meter types, and one of the widely used meter classes in industry generally operates from the pressure differentials measured upstream and downstream of a choke. .
Essa classe de medidores de vazão, baseados em pressão diferencial, é comumente utilizada em sistemas de transporte de petróleo e gás natural. A precisão destes sistemas é de fundamental importância em aplicações como gerenciamento de reservatórios, sistemas de detecção de vazamentos, controle de processos de produção e medição fiscal.  This class of differential pressure-based flow meters is commonly used in oil and natural gas transportation systems. The accuracy of these systems is of fundamental importance in applications such as reservoir management, leak detection systems, production process control and fiscal measurement.
Os elementos geradores de pressão diferencial mais empregados atualmente constituem-se em restrições, como por exemplo: placas com orifícios ou mesmo venturis.  The most commonly used differential pressure generating elements are constraints, such as orifice plates or even venturis.
Os medidores de placas de orifício são os mais simples, de menor custo, baixa manutenção e facilmente substituíveis. Portanto, os mais empregados. Consistem-se basicamente de uma chapa metálica, perfurada de forma precisa e calculada, a qual é instalada entre flanges, perpendicularmente ao eixo da tubulação. Apresentam como desvantagem uma alta perda de carga, que é irrecuperável. Orifice plate gauges are the simplest, smallest cost, low maintenance and easily replaceable. Therefore, the most employed. They consist basically of a precisely calculated and perforated sheet metal which is installed between flanges perpendicular to the pipe axis. Their disadvantage is a high pressure drop, which is unrecoverable.
Os medidores venturi também fazem parte dessa classe de medidores por pressão diferencial. Diferentemente dos que utilizam placas de orifício, apresentam uma excelente recuperação de pressão após a restrição, resistência à abrasão e produzem um diferencial de pressão bem menor. No entanto apresentam um custo elevado, manutenção e instalação trabalhosas.  Venturi meters are also part of this class of differential pressure meters. Unlike those using orifice plates, they have excellent pressure recovery after restraint, abrasion resistance and produce a much smaller pressure differential. However they have a high cost, maintenance and laborious installation.
A geometria do venturi é muito empregada devido à baixa perda de carga, além de permitir maior precisão de cálculo da vazão visto apresentar menor incerteza dos coeficientes de ajuste entre o modelo teórico e a realidade.  The venturi geometry is widely used due to the low pressure drop, besides allowing greater flow calculation precision since it presents lower uncertainty of the adjustment coefficients between the theoretical model and reality.
A geometria tipo venturi é mais particularmente interessante quando apresenta um escoamento sônico em sua seção de menor área, conhecida como garganta do venturi.  Venturi-like geometry is most particularly interesting when it has a sonic flow in its smallest section, known as the venturi throat.
Existem medidores que aproveitam este fenómeno para fins de medição de vazão, e são genericamente chamados bocais sônicos ou bocais de fluxo crítico. Sua precisão é tão significativa que são alvo de normas técnicas internacionais, tais como da ASME (American Society of Mechanical Engineers), para fins de calibração de outros medidores de vazão, por exemplo, a norma ASME/ANSI MFC-7M-1987.  There are meters that take advantage of this phenomenon for flow measurement purposes, and are generally called sonic nozzles or critical flow nozzles. Their accuracy is so significant that they are subject to international technical standards, such as the American Society of Mechanical Engineers (ASME), for the purpose of calibrating other flowmeters, for example, ASME / ANSI MFC-7M-1987.
O princípio de funcionamento de um medidor tipo bocal sônico é análogo ao da placa de orifício, que gera uma pressão diferencial proporcional ao quadrado da vazão volumétrica de fluido que passa por ele. Porém, o bocal apresenta uma propriedade única: o escoamento sônico (vazão de gás constante independentemente de flutuações de pressão a jusante) é alcançado para diferenciais de pressão muito pequenos. The principle of operation of a sonic nozzle type meter is analogous to that of the orifice plate, which generates a differential pressure proportional to the square of the volumetric flow of fluid passing through it. However, the nozzle has a unique property: sonic flow (constant gas flow regardless of downstream pressure fluctuations) is achieved for very high pressure differentials. small.
Quando se aplica uma pressão à montante de um bocal sônico e se diminui a pressão à jusante, a vazão aumenta. Quanto mais se diminui a vazão à jusante, maior é a vazão através do bocal. Porém, há um limite, quando a velocidade do gás atinge a velocidade do som na garganta. Depois deste ponto, pode-se diminuir mais ainda a pressão à jusante que a vazão permanece constante.  When applying pressure upstream of a sonic nozzle and decreasing downstream pressure, the flow increases. The more the downstream flow decreases, the greater the flow through the nozzle. However, there is a limit when the velocity of gas reaches the velocity of sound in the throat. After this point, the downstream pressure can be further decreased as the flow rate remains constant.
Os bocais sônicos são simples, compactos, confiáveis e principalmente precisos. No entanto, dadas as condições à montante de um bocal sônico definido, a vazão crítica fica automaticamente estabelecida, ou seja, o bocal sônico praticamente não apresenta faixa de vazões susceptíveis de medição. É quase um medidor de vazão para valores específicos. Por isso é particularmente usado em calibração de outros medidores mais flexíveis (embora menos precisos) e para controle de vazão em certos processos industriais.  The sonic nozzles are simple, compact, reliable and mostly accurate. However, given the conditions upstream of a defined sonic nozzle, the critical flow is automatically established, ie the sonic nozzle has virtually no measurable flow range. It is almost a flowmeter for specific values. It is therefore particularly used for calibration of other more flexible (though less accurate) meters and for flow control in certain industrial processes.
Na literatura é possível encontrar algumas soluções relativamente complexas que tentam empregar este fenómeno em aplicações outras que não sejam somente calibração. Uma dessas soluções sugere a troca de bocais sônicos durante a medição até que se encontre aquele que seja adequado.  In the literature it is possible to find some relatively complex solutions that try to employ this phenomenon in applications other than just calibration. One of these solutions suggests changing sonic nozzles during measurement until the appropriate one is found.
Pode ser citado como exemplo, um divisor de fluxo tipo flauta conectado a um determinado número de tubulações paralelas, sendo cada tubulação provida com um bocal sônico de diâmetro de garganta diferente. O divisor é capaz de desviar o escoamento para o ramo que contém o bocal adequado para vazão apresentada no momento de interesse.  An example is a flute-type flow divider connected to a number of parallel pipes, each pipe being provided with a sonic nozzle of different throat diameter. The divider is capable of diverting the flow to the branch containing the appropriate flow nozzle presented at the moment of interest.
Em outra solução existente no mercado, um alojamento rotativo tipo "tambor" ou "carretel" provido com vários bocais sônicos paralelos, e com diâmetros de garganta diferentes, é conectado a um único tubo. Esse tambor é girado até que um bocal sônico adequado ao escoamento que se tem interesse de medir fique alinhado com tubo. Estas soluções além de não abranger as várias gradações de vazão existentes entre cada calibre de garganta dos bocais sônicos especificados no tambor, também é de difícil aplicação prática, pois o escoamento tem de ser interrompido para se girar o referido tambor até que seja localizado o bocal sônico com geometria adequada à vazão esperada no tubo. In another commercially available solution, a "drum" or "spool" type rotary housing provided with several parallel sonic nozzles, and with different throat diameters, is connected to a single tube. This drum is rotated until a suitable sonic nozzle for the flow to be measured is aligned with the tube. These solutions, in addition to not covering the various flow gradations between each throat gauge of the specified sonic nozzles on the drum, are also difficult to apply as the flow must be interrupted to rotate said drum until the nozzle is located. sonic material with adequate geometry to the expected flow in the pipe.
No entanto seria desejável atingir a confiabilidade da medição apresentada pelos medidores do tipo bocal sônico, em várias aplicações de processos industriais. A literatura técnica especializada apresenta várias sugestões.  However it would be desirable to achieve the measurement reliability presented by sonic nozzle type meters in various industrial process applications. The specialized technical literature has several suggestions.
O documento US 2007/0043976 (Cunningham et al.) é um exemplo de solução em que um tambor ou carretel disponibiliza uma série de bocais sônicos para serem escolhidos, mesmo assim a aplicação restringe-se a calibração de outros medidores. Essa linha de solução por troca do bocal acarreta vários problemas e continua a apresentar uma abordagem por diâmetros discretos de garganta, consequentemente para vazões discretas.  US 2007/0043976 (Cunningham et al.) Is an example of a solution in which a drum or spool provides a series of sonic nozzles to choose from, yet the application is restricted to the calibration of other meters. This nozzle change solution line entails a number of problems and continues to present a discrete throat diameter approach, consequently for discrete flow rates.
Os documentos EP 0679873 (Shimizu), US 3,896,670 (Converse et al.) e US 5,880,378 (Behring) apresentam venturis de abertura variável.  EP 0679873 (Shimizu), US 3,896,670 (Converse et al.) And US 5,880,378 (Behring) disclose variable aperture venturis.
Em linhas gerais, pode-se dizer que a solução mostrada nos três documentos é similar: em um venturi convencional se introduz uma haste de seção reta variável. A haste é movimentada até que a área do anular formado entre a haste e a garganta do venturi seja a desejada. Essa solução também apresenta uma série de inconvenientes.  Generally speaking, it can be said that the solution shown in the three documents is similar: in a conventional venturi a rod of variable straight section is introduced. The stem is moved until the annular area formed between the stem and the venturi throat is as desired. This solution also has a number of drawbacks.
Devemos lembrar que é na região em torno da garganta que ocorrem os fenómenos cruciais que determinam o comportamento dinâmico do venturi. A presença de uma haste nessa região pode prejudicar o desempenho do venturi, o que pode ser aceitável em certas aplicações mas não em medição de vazão. Hastes esbeltas e compridas nessa região provocam instabilidade aumentando as incertezas no coeficiente de descarga e na própria razão crítica entre as pressões jusante e montante. We must remember that it is in the region around the throat that the crucial phenomena that determine the dynamic behavior of the venturi occur. The presence of a stem in this region may impair venturi performance, which may be acceptable in certain applications but not in flow measurement. Slender and long stems in this region cause instability increasing the uncertainties in the discharge coefficient and the critical ratio itself between downstream and upstream pressures.
Além disso, com a configuração conforme apresentada, as hastes são frágeis e representam pontos de retenção de eventuais detritos, suas estruturas de apoio introduzem perdas de carga localizadas e expressivas afetando o desempenho do bocal sônico. Não se trata, portanto, de uma solução com robustez nem precisão.  In addition, with the configuration as shown, the rods are fragile and represent retention points of any debris, their supporting structures introduce localized and expressive pressure losses affecting the performance of the sonic nozzle. It is therefore not a solution with robustness or precision.
Deve-se destacar também que bocais-venturi, particularmente os de pequenas dimensões, são peças custosas e de difícil fabricação quando se pretende um rígido controle no acabamento superficial e de tolerâncias na região da garganta. Acabamento este que é imperativo para a precisão requerida em medição de vazão.  It should also be noted that venturi nozzles, particularly small ones, are costly and difficult to manufacture when tight surface finish and throat tolerance control is desired. This finish is imperative for the accuracy required in flow measurement.
Diante deste quadro é fácil concluir porque em um parque industrial de grande porte, com centenas de metros de rede tubular através das quais são transportados milhões de metros cúbicos de fluido diariamente, a aplicação de bocais sônicos não se disseminou na prática. Mesmo que a empresa apresente um excelente quadro técnico, inevitavelmente arcará com dificuldades significativas de manobras, paradas e ajustes que não compensam a aplicação.  Given this scenario it is easy to conclude because in a large industrial park with hundreds of meters of tubular network through which millions of cubic meters of fluid are transported daily, the application of sonic nozzles has not spread in practice. Even if the company has an excellent technical staff, it will inevitably face significant maneuvering, stopping and adjustment difficulties that do not compensate for the application.
É esse problema que a presente invenção visa resolver, viabilizando um único bocal sônico ajustável com base no conceito do venturi de corpo central. Torna-se clara a importância de ultrapassar a limitação imposta até a atualidade de não se dispor de um bocal sônico de abertura variável e de alto desempenho.  It is this problem which the present invention aims to solve by enabling a single adjustable sonic nozzle based on the concept of the central body venturi. The importance of overcoming the limitation imposed to date with the lack of a high performance variable opening sonic mouthpiece is becoming clear.
A invenção descrita a seguir objetiva prioritariamente disponibilizar um medidor do tipo bocal sônico, preferencialmente para aplicação em transporte de gases, capaz de atuar em uma grande faixa de vazões, com alta precisão e sem a necessidade de utilizar recursos como tambores ou desvios para o ajuste da operação.  The invention described below aims primarily to provide a sonic nozzle type meter, preferably for gas transport applications, capable of operating over a wide range of flows, with high accuracy and without the need for resources such as drums or tuning deviations. of the operation.
Outros objetivos que o medidor de vazão com bocal venturi de corpo central, objeto da presente invenção, se propõe alcançar são a seguir elencados: Other purposes than body venturi nozzle flowmeter object of the present invention, it is proposed to achieve are listed below:
a) Reduzir drasticamente a imprecisão nas medidas de vazão em diversas operações de um parque industrial;  (a) dramatically reduce inaccuracy in flow measurements in various operations of an industrial park;
b) Disponibilizar um venturi invertido de escoamento anular;  (b) provide an inverted annular flow venturi;
c) Ser um dispositivo de corpo central com melhor atuação aerodinâmica;  c) Be a central body device with better aerodynamic performance;
d) Ter capacidade de adequar-se à faixa de vazão do escoamento sem necessidade de parar o fluxo;  (d) be capable of adapting to the flow rate range without stopping flow;
e) Disponibilizar uma ferramenta que oferece um alto grau de precisão de medição de vazão, mas capaz de ser empregada em tarefas diferentes à de calibração.  e) Provide a tool that offers a high degree of flow measurement accuracy but is capable of being used for tasks other than calibration.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO SUMMARY OF THE INVENTION
Refere-se a presente invenção a um equipamento de medição de vazão o qual apresenta um anular de área de passagem variável, sendo basicamente conformado por cinco componentes principais: um corpo central, um alojamento, um atuador, duas zonas de leitura e um processador de fluxo.  The present invention relates to a flow measurement device which has a variable passage area ring, basically consisting of five main components: a central body, a housing, an actuator, two reading zones and a flow processor. flow.
O corpo central por sua vez é conformado preferencialmente por um sólido de revolução com um formato de gota, e pode ser subdividido em duas porções distintas: a primeira porção semi-esférica voltada contra o sentido fluxo do escoamento, e a segunda porção contraposta a primeira porção, apresenta a extremidade com uma terminação de formato afunilado. A seção reta em que o corpo central atinge o seu diâmetro máximo pode ser considerada como a seção de transição entre primeira porção semi-esférica e a segunda porção afunilada.  The central body in turn is preferably formed by a drop-shaped revolution solid, and may be subdivided into two distinct portions: the first semi-spherical portion facing the flow direction of flow, and the second portion opposed to the first. portion has the end with a tapered-shaped termination. The straight section in which the central body reaches its maximum diameter can be considered as the transition section between the first semi-spherical portion and the second tapered portion.
O alojamento apresenta a forma de dois troncos de cone contrapostos pelo maior diâmetro. Um primeiro tronco divergente, onde se aloja coaxialmente o corpo central, e em sequência um segundo tronco convergente. O atuador é um dispositivo servo atuante de precisão como um motor de passo micrométrico, no qual o corpo central é afixado por meio de um elemento de fixação, tal como uma haste. A referida haste por sua vez é afixada ao corpo central na sua segunda porção afunilada. The housing is in the form of two cone trunks opposed by the largest diameter. A first divergent trunk, where the central body is coaxially housed, and in sequence a second convergent trunk. The actuator is a precision acting servo device such as a micrometer stepper motor, in which the central body is affixed by means of a fastener such as a rod. Said rod is in turn affixed to the central body in its second tapered portion.
O atuador permite deslocar o corpo central num sentido ou noutro coaxialmente ao escoamento de maneira que ele permaneça preferencialmente sempre dentro do tronco divergente.  The actuator allows the central body to be moved in one direction or another coaxially to the flow so that it preferably always remains within the diverging trunk.
As zonas de leitura localizam-se imediatamente à montante e à jusante do alojamento e encontram-se alinhadas e com o mesmo diâmetro da tubulação normal do escoamento que se pretende mensurar.  The reading zones are located immediately upstream and downstream of the housing and are aligned and of the same diameter as the normal flow pipe to be measured.
A zona de leitura à montante é provida com sensores de pressão e temperatura, bem como a zona de leitura à jusante, sendo que esta atua como um trecho estabilizador do fluxo do escoamento.  The upstream reading zone is provided with pressure and temperature sensors, as well as the downstream reading zone, which acts as a flow flow stabilizing portion.
O processador de fluxo recebe os dados registrados e transferidos pelos sensores de temperatura e pressão à montante e à jusante, e determina que deslocamento do corpo central deve ocorrer de forma a estabelecer uma área aberta para o escoamento na garganta, necessária para torná-lo sônico.  The flow processor receives data recorded and transferred by upstream and downstream temperature and pressure sensors, and determines which displacement of the central body should occur in order to establish an open throat flow area necessary to make it sonic. .
O deslocamento é estabelecido preferencialmente conforme tabela ou relação matemática gravada no próprio processador de fluxo, por monitoramento das vibrações do corpo central ou da diferença de temperatura entre a garganta e uma posição adequada ao longo do difusor.  The displacement is preferably established according to a table or mathematical relationship recorded on the flow processor itself, by monitoring the vibrations of the central body or the temperature difference between the throat and an appropriate position along the diffuser.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS  BRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS
A invenção será descrita a seguir mais detalhadamente, em conjunto com os desenhos abaixo relacionados, os quais, meramente a título de exemplo, acompanham o presente relatório, do qual é parte integrante, e nos quais:  The invention will be described in more detail below, together with the following drawings, which, by way of example, accompany this report, of which it forms an integral part, and in which:
A Figura 1 retrata uma vista em corte lateral esquemática da concretização preferida da invenção. DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO Figure 1 depicts a schematic side sectional view of the preferred embodiment of the invention. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A presente invenção refere-se a um medidor de vazão de fluidos, particularmente de gases escoando em tubulações. Trata-se basicamente de um venturi anular de área de passagem variável acoplado a um sistema de controle que, a partir de informações coletadas no venturi, determina a área de passagem na qual há a transição de escoamento sub-crítico para escoamento crítico. Definida essa área e conhecidas as condições à montante e as propriedades do fluido, é possível um cálculo preciso da vazão.  The present invention relates to a fluid flow meter, particularly gas flowing in pipes. It is basically an annular venturi of variable passage area coupled to a control system that, based on information collected in the venturi, determines the passage area in which there is the transition from subcritical flow to critical flow. Once this area is defined and the upstream conditions and fluid properties are known, an accurate flow calculation is possible.
A descrição detalhada da invenção poderá ser melhor compreendida acompanhando-se paralelamente a Figura 1 , que revela uma vista em corte lateral e esquemático da proposta agora apresentada. O escoamento a ser medido neste exemplo ocorre da esquerda para a direita, conforme indicado pela seta.  The detailed description of the invention may be better understood by following in parallel Figure 1, which shows a schematic side sectional view of the proposal now presented. The flow to be measured in this example occurs from left to right as indicated by the arrow.
O medidor de vazão com bocal venturi de corpo central (100) é conformado basicamente por cinco componentes básicos, a saber: um corpo central (10), um alojamento (20), um atuador (30), duas zonas de leitura (40 e 40') e um processador de fluxo (50).  The central body venturi nozzle flowmeter (100) is comprised basically of five basic components, namely: a central body (10), a housing (20), an actuator (30), two reading zones (40 and 40 ') and a flow processor (50).
O corpo central ( 0) é conformado preferencialmente por um sólido de revolução com um formato de gota, e pode ser subdividido em duas porções distintas: a primeira porção semi-esférica (11) voltada contra o sentido fluxo do escoamento; a segunda porção (12), contraposta a primeira porção (11), apresenta a extremidade com uma terminação de formato afunilado.  The central body (0) is preferably formed by a drop-shaped revolution solid, and may be subdivided into two distinct portions: the first semi-spherical portion (11) directed against the flow direction of flow; the second portion (12), as opposed to the first portion (11), has the end with a tapered shaped termination.
O corpo central (10) tem a sua segunda porção afunilada (12) afixada a um atuador (30), por meio de um elemento de fixação, tal como uma haste (13).  The central body (10) has its second tapered portion (12) attached to an actuator (30) by means of a fastener such as a rod (13).
A seção reta em que o corpo central (10) atinge o seu diâmetro máximo (10') pode ser considerada como a seção de transição entre primeira porção semi-esférica (11 ) e a segunda porção afunilada (12). O corpo central (10) pode ser manufaturado em diversos materiais simples ou compósitos, de acordo com a exigência da aplicação em termos de acabamento superficial e tolerâncias. Pode ser, por exemplo, manufaturado em um material de menor custo e recoberto com outro mais nobre, barateando sua fabricação. The straight section in which the central body (10) reaches its maximum diameter (10 ') can be considered as the transition section between the first semi-spherical portion (11) and the second tapered portion (12). The central body (10) can be manufactured in various simple or composite materials, according to the application requirement in terms of surface finish and tolerances. It can be, for example, manufactured in a lower cost material and covered with a nobler one, making it cheaper to manufacture.
O corpo central (10) é posicionado coaxialmente dentro de um alojamento (20), em forma de dois troncos de cone contrapostos pelo maior diâmetro. Um primeiro tronco divergente (21 ), onde se aloja o corpo central (10), e em sequência um segundo tronco convergente (22).  The central body (10) is positioned coaxially within a housing (20), in the form of two cone trunks opposed by the largest diameter. A first divergent trunk (21), housing the central body (10), and in sequence a second convergent trunk (22).
O ângulo de abertura do tronco divergente (21) do referido alojamento (20) deve estar preferencialmente na faixa de 0o a 5o. E o tronco convergente (22) preferencialmente na faixa de 15° a 25°. No entanto, de acordo com a aplicação, outras inclinações podem ser empregadas fora dessas faixas preferenciais. The opening angle of the divergent stem (21) of said housing (20) should preferably be in the range 0 to 5 o. And the converging trunk (22) is preferably in the range of 15 ° to 25 °. However, according to the application, other inclinations may be employed outside these preferred ranges.
O corpo central (10) deve apresentar um comprimento suficiente para que ao ser montado dentro do alojamento (20), a sua porção semi- esférica (11 ) seja posicionada após o início do tronco divergente (21), e a segunda porção afunilada (12), com a respectiva haste (13) de sustentação, fique posicionada antes do plano de encontro dos troncos divergente (21 ) e convergente (22). A referida haste (13) por sua vez é afixada a um atuador (30), um dispositivo servo atuante de precisão tal como um motor de passo micrométrico.  The central body (10) should be of sufficient length that when mounted within the housing (20), its semi-spherical portion (11) is positioned after the beginning of the divergent trunk (21), and the second tapered portion ( 12), with the respective support rod (13), be positioned before the diverging (21) and converging (22) trunk meeting plane. Said rod (13) is in turn affixed to an actuator (30), a precision actuating servo device such as a micrometer stepper motor.
O atuador permite deslocar o corpo central (10) num sentido ou noutro, coaxialmente ao escoamento, de maneira que ele permaneça preferencialmente sempre dentro do tronco divergente (2 ).  The actuator allows the central body (10) to be moved in one direction or the other, coaxially to the flow, so that it preferably always remains within the diverging trunk (2).
O escoamento do fluido ocorre na área formada pelo anular entre a superfície interna do alojamento (20) e a superfície externa do corpo central (10).  Fluid flow occurs in the area formed by the annular between the inner surface of the housing (20) and the outer surface of the central body (10).
A área do anular, desde o início do tronco divergente (21 ) até a seção de diâmetro máximo (10') do corpo central (10), é progressivamente reduzida. Este trecho é considerado como o bocal do venturi de corpo central. The area of the annular, from the beginning of the divergent trunk (21) to the maximum diameter section (10 ') of the central body (10), is progressively reduced. This stretch is considered as the central body venturi nozzle.
Quando o corpo central (10) diminui de diâmetro, consequentemente, a área anular de passagem ao escoamento aumenta até que se atinja a área máxima correspondente à seção reta do alojamento (20). Este segundo trecho é considerado como o difusor do venturi.  As the central body (10) decreases in diameter, consequently, the annular flow passage area increases until the maximum area corresponding to the straight section of the housing (20) is reached. This second stretch is considered as the venturi diffuser.
A seção reta de maior diâmetro (10') do corpo central (10) e que é a fronteira de transição entre o bocal e o difusor é chamada de garganta (10") do venturi.  The largest diameter section (10 ') of the central body (10) and which is the transition boundary between the nozzle and the diffuser is called the venturi throat (10 ").
Embora preferencialmente a garganta (10") tenha comprimento infinitesimal, por ser apenas uma seção reta, alternativamente pode ser utilizada uma garganta de comprimento finito.  Although preferably the throat (10 ") is infinitesimal in length, being only a straight section, alternatively a finite length throat can be used.
Nesse caso, na seção de transição entre a porção semi-esférica (11 ) e a segunda porção afunilada (12), o corpo central (10) poderia apresentar a sua seção de maior diâmetro (10') estendida por um comprimento determinado.  In this case, in the transition section between the semi-spherical portion (11) and the second tapered portion (12), the central body (10) could have its larger diameter section (10 ') extended over a given length.
Imediatamente a montante e a jusante do alojamento (20) encontram-se, respectivamente, as zonas de leitura (40) e (40'), alinhadas e com o mesmo diâmetro da tubulação normal do escoamento que se pretende mensurar.  Immediately upstream and downstream of the housing 20 are respectively the reading zones 40 and 40 ', aligned and of the same diameter as the normal flow pipe to be measured.
A zona de leitura (40) à montante é provida com sensores (41 ) de pressão e temperatura. Alternativamente também pode ser provido um ponto de coleta e análise da composição do fluido.  The upstream reading zone (40) is provided with pressure and temperature sensors (41). Alternatively a point of collection and analysis of fluid composition may also be provided.
Nesse trecho podem ser disponibilizados, conforme a conveniência do projeto, dispositivos de retificação do escoamento conhecidos da técnica.  In this section, flow rectification devices known in the art may be made available at the convenience of the project.
A zona de leitura (40') à jusante também é provida com sensores (41 ') de pressão e temperatura, mas atua como um trecho estabilizador do fluxo do escoamento. Os dados registrados pelos sensores (41 ) e (41 ') são transferidos a um processador de fluxo (50). The downstream reading zone 40 'is also provided with pressure and temperature sensors (41'), but acts as a flow flow stabilizing portion. The data recorded by sensors 41 and 41 'are transferred to a flow processor 50.
Portanto, o medidor de vazão com bocal venturi de corpo central (100) basicamente consiste num bocal-venturi de corpo central que pode ser deslocado coaxialmente de maneira controlada no interior de um alojamento (20). Com isso a área de maior restrição ao escoamento, isto é, a área da garganta (10") do bocal-venturi é variável. Assim, o medidor proposto funciona como um bocal sônico de abertura variável alinhado ao escoamento.  Therefore, the central body venturi nozzle flowmeter (100) basically consists of a central body venturi nozzle that can be coaxially displaced in a controlled manner within a housing (20). Thus the area of greatest flow restriction, that is, the throat area (10 ") of the nozzle venturi is variable. Thus, the proposed meter functions as a sonic nozzle with a variable opening aligned with the flow.
O fluido proveniente de certa fonte escoa pela tubulação e acessa o medidor de vazão com bocal venturi de corpo central (100) pela zona de leitura (40), passa pelo anular entre o alojamento (20) e o corpo central (10) e após deixar o alojamento (20), escoa pela zona de leitura (40') até seu destino final.  Fluid from a certain source flows through the tubing and accesses the central body venturi nozzle flowmeter (100) through the reading zone (40), passes through the annular between the housing (20) and the central body (10) and after leaving the housing (20), flows through the reading area (40 ') to its final destination.
Tal como em um bocal sônico convencional o medidor de vazão com bocal venturi de corpo central (100) permite estabelecer o escoamento crítico com pequena perda de carga.  As with a conventional sonic nozzle, the central body venturi nozzle flowmeter (100) allows critical flow to be established with little pressure drop.
A movimentação do corpo central (10) é realizada por meio de um motor de passo micrométrico, bem conhecido no estado da técnica, e o deslocamento do corpo central (10) estabelece a área aberta de escoamento da garganta (10") conforme tabela ou relação matemática gravada no processador de fluxo (50).  The movement of the central body (10) is accomplished by means of a micrometric stepper motor, well known in the state of the art, and the displacement of the central body (10) establishes the open throat flow area (10 ") according to table or mathematical relationship recorded in the flow processor (50).
O processador de fluxo (50) monitora as pressões e temperaturas à montante e à jusante, e determina que deslocamento do corpo central (10) deve ocorrer de forma a estabelecer uma área aberta para o escoamento na garganta (10"), necessária para torná-lo sônico.  The flow processor (50) monitors upstream and downstream pressures and temperatures, and determines which displacement of the central body (10) must occur in order to establish an open throat flow area (10 ") necessary to render him sonic.
Esse deslocamento requerido pode ser determinado pelo processamento, por exemplo, a partir de relações matemáticas baseadas em testes experimentais prévios.  This required displacement can be determined by processing, for example, from mathematical relationships based on previous experimental tests.
Na técnica comum para medidores de vazão do tipo sônico, a vazão deve ser incrementada até que se atinja um escoamento crítico na região da garganta, neste momento sabe-se que é gerada uma onda de choque no interior do venturi, confirmando-se que foi estabelecido um escoamento crítico do fluido. In the common technique for sonic type flowmeters, the flow rate should be increased until a critical flow in the throat region is reached, at this point it is known that a shock wave is generated within the venturi, confirming that a critical fluid flow has been established.
No entanto para estabelecer a medição da vazão na invenção proposta, a área da garganta é variada alterando-se o posicionamento do corpo central (10) até que o escoamento sônico se estabeleça na garganta (10") anular. Nesse momento conhecendo-se a pressão, temperatura e composição do fluido à montante do corpo central, pode-se calcular com elevada precisão a vazão do escoamento existente na rede.  However, in order to establish the flow measurement in the proposed invention, the throat area is varied by changing the positioning of the central body (10) until the sonic flow is established in the annular throat (10 "). pressure, temperature and composition of the fluid upstream of the central body, the flow rate of the network can be accurately calculated.
O deslocamento do corpo central (10) pode ser determinado por um sensor de pressão provido internamente ao próprio corpo central (10) (não mostrado na Figura 1), capaz de medir a pressão do escoamento na garganta (10"). Essa informação adicional é monitorada pelo processador de fluxo (50) de maneira a determinar com maior precisão a posição correia em que o corpo central (10) deve estar para que o escoamento na garganta (10") do venturi seja sônico.  The displacement of the central body (10) may be determined by a pressure sensor internally provided with the central body itself (10) (not shown in Figure 1), capable of measuring the flow pressure in the throat (10 "). This additional information is monitored by the flow processor (50) to more accurately determine the correct position the central body (10) must be in so that the venturi throat (10 ") flow is sonic.
Dessa maneira ao invés de se fornecer um bocal venturi sônico que opere com uma determinada vazão pré-determinada, a invenção provê um medidor venturi que altera sua área da garganta até que se atinja um escoamento crítico para a vazão existente na rede.  Thus, instead of providing a sonic venturi nozzle that operates at a predetermined flow rate, the invention provides a venturi meter that alters its throat area until critical flow to the network flow is achieved.
O processador de fluxo (50) também é capaz de contabilizar, caso disponível, a composição do fluido fornecida por um cromatógrafo online não mostrado na figura. Com esses dados a vazão pode ser estabelecida com maior precisão.  Flow processor 50 is also capable of accounting, if available, for fluid composition provided by an online chromatograph not shown in the figure. With this data the flow rate can be established more accurately.
Em outro procedimento de leitura, as vibrações das ondas de choque durante seu deslocamento dentro do alojamento (20), ocasionadas pela passagem brusca de escoamento supersônico para subsônico ao longo do trecho difusor, podem ser captadas por um sensor provido no corpo central (10), e enviadas ao processador de fluxo (50). Dessa maneira o posicionamento do corpo central (10) é variado até que se perceba que a onda de choque se deslocou ao longo da segunda porção afunilada (12) até chegar exatamente na garganta (10"), quando então, não há mais onda de choque. Nesse momento conhecendo-se a pressão, temperatura e composição do fluido à montante do corpo central (10) pode-se calcular a vazão do escoamento com elevada precisão. In another reading procedure, the vibrations of the shock waves during their displacement within the housing (20), caused by the sudden passage of supersonic to subsonic flow along the diffuser section, can be captured by a sensor provided in the central body (10). , and sent to the flow processor (50). In this way the positioning of the central body (10) is varied until it is realized that the shock wave has shifted along the second tapered portion (12) until it reaches the throat (10 ") exactly, when then there is no longer a wave of shock. At this moment, by knowing the pressure, temperature and composition of the fluid upstream of the central body (10), the flow rate can be calculated with high precision.
Em ainda outro procedimento de leitura possível, as temperaturas na garganta (10") e em uma posição ao longo do difusor do venturi são monitoradas.  In yet another possible reading procedure, temperatures in the throat (10 ") and in a position along the venturi diffuser are monitored.
O corpo central (10) é deslocado até que a diferença entre essas temperaturas alcance um máximo o que significa que o escoamento crítico foi estabelecido com a menor diferença de pressão ao longo do venturi, ou seja, significa que o escoamento na garganta (10") é sônico.  The central body (10) is displaced until the difference between these temperatures reaches a maximum meaning that the critical flow was established with the smallest pressure difference along the venturi, meaning that the throat flow (10 " ) is sonic.
Para que esse procedimento seja usado há a necessidade de se instalar dois sensores de temperatura internamente ao corpo central, (sensores esses não mostrados na Figura 1) para que um meça a temperatura do escoamento na garganta (10") e outro instalado de tal modo que meça a temperatura em alguma posição da segunda porção afunilada (12), sendo essas informações enviadas e processadas pelo processador de fluxo (50).  For this procedure to be used there is a need to install two temperature sensors internally to the central body, (sensors not shown in Figure 1) so that one measures the throat flow temperature (10 ") and the other one installed in such a way. measure the temperature at some position of the second tapered portion (12), this information being sent and processed by the flow processor (50).
Alterações configurativas do alojamento (20) podem ser introduzidas sem que o princípio inventivo de funcionamento do medidor de vazão com bocal venturi de corpo central (100) seja alterado, por exemplo, o primeiro trecho onde se aloja o corpo central (10) pode ser convergente e o que lhe ! segue ser divergente, ou, ainda, o alojamento (20) pode apresentar um perfil com certa curvatura (ao contrário do perfil linear mostrado na Figura 1) para que, por exemplo, a variação da área na garganta (10") provocada pelo deslocamento do corpo central, ao invés de ser quadrática, siga outra lei de variação mais conveniente para o controle a partir do processador de fluxo. Transições suaves entre as seções de medição 40 e 40' e o alojamento (20) também podem ser adicionadas. Isso não altera o princípio de operação da invenção. Configurative changes to housing 20 may be introduced without changing the inventive working principle of the central body venturi nozzle flowmeter 100, for example, the first section housing the central body 10 may be altered. convergent and what you ! remains divergent, or the housing 20 may have a profile with a certain curvature (as opposed to the linear profile shown in Figure 1) so that, for example, the variation in the throat area (10 ") caused by the displacement rather than quadratic, follow another law of variation more convenient for control from the flow processor Smooth transitions between measuring sections 40 and 40 'and the housing (20) may also be added. This does not alter the operating principle of the invention.
A conformação da primeira porção (11 ) pode possuir a forma de um cone ou de um semi-elipsóide  The conformation of the first portion (11) may be in the form of a cone or a semi-ellipsoid.
Vibrações do corpo central induzidas eventualmente pelo escoamento podem ser compensadas pela forma de sustentação do corpo central, pela alteração da rigidez do corpo, seja empregando materiais adequados ou com uma conformação com ocos internos, especialmente na região do bocal. Podem, até mesmo, serem compensadas via software no processador de fluxo.  Vibration-induced central body vibrations may be compensated for by the central body's sustaining shape, by altering the body's rigidity, either by employing suitable materials or with a hollow conformation, especially in the nozzle region. They can even be compensated via software on the flow processor.
Deve-se destacar que, qualquer que seja a configuração adotada, a presença da haste (13) de sustentação do corpo central (10) não interfere na precisão da leitura de vazão, pois qualquer perturbação que este componente venha ocasionar ocorrerá após o ponto do escoamento crítico, localizado na garganta (10"). Qualquer perturbação à jusante, após o escoamento estrangulado, não se propaga à montante.  It should be noted that, regardless of the configuration adopted, the presence of the central body support rod (13) does not interfere with the accuracy of the flow reading, since any disturbance that this component may cause will occur after the point of critical flow, located in the throat (10 "). Any downstream disturbance after strangled flow does not propagate upstream.
Outra vantagem inquestionável de se adotar o dispositivo proposto, é que por ser extremamente fácil de adequá-lo para que estabeleça um escoamento sônico em uma rede cujo volume é totalmente desconhecido, pode ser adotado em todas as unidades operacionais que necessitem precisão na medição de vazão.  Another unquestionable advantage of adopting the proposed device is that, since it is extremely easy to adapt it to establish a sonic flow in a network whose volume is totally unknown, it can be adopted in all operating units that require precision flow measurement. .
A invenção pode ser ainda usada com vantagem em certas aplicações específicas, em que se deseja impor uma vazão prescrita para alimentar um sistema O processador de fluxo poderá ajustar o corpo central para que passe por ele a vazão prescrita, incorporando num só elemento o papel de medição e de controle, enquanto que, na solução convencional, esses elementos são separados.  The invention can be further used to advantage in certain specific applications where it is desired to impose a prescribed flow rate to feed a system. The flow processor may adjust the central body to pass the prescribed flow rate by incorporating in one element the measurement and control, whereas in the conventional solution these elements are separated.
Uma vez eliminadas as dificuldades de se estabelecer um escoamento crítico, mesmo que a vazão seja alterada durante o tempo de medição, o procedimento de medição de vazão por bocal sônico deixa de ser considerado trabalhoso e sensível, e consequentemente, sua execução deixa também de ser restrita a laboratórios ou bancadas de calibração, podendo ser aplicada em cenários de produção. Once the difficulties of establishing a critical flow are eliminated, even if the flow rate changes during the measurement time, the sonic nozzle flow measurement procedure no longer be considered laborious and sensitive, and consequently, its execution is no longer restricted to laboratories or calibration benches and can be applied in production scenarios.
A invenção foi aqui descrita com referência sendo feita à suas concretizações preferidas. Deve, entretanto, ficar claro, que a invenção não está limitada às concretizações reveladas, pois aqueles com habilidades na técnica irão imediatamente perceber que alterações e substituições podem ser feitas dentro deste conceito inventivo aqui descrito.  The invention has been described herein with reference to its preferred embodiments. It should, however, be clear that the invention is not limited to the disclosed embodiments, as those skilled in the art will immediately realize that changes and substitutions may be made within this inventive concept described herein.

Claims

REIVINDICAÇÕES
1- MEDIDOR DE VAZÃO COM BOCAL VENTURI DE CORPO CENTRAL, o qual apresenta um anular de área de passagem variável, caracterizado por compreender basicamente cinco componentes principais:  1- FLOW METER WITH CENTRAL BODY VENTURI, which has an annular of variable passage area, characterized by basically comprising five main components:
- um corpo central (10), conformado preferencialmente por um sólido de revolução com um formato de gota, e subdividido em duas porções distintas, a primeira porção semi-esférica (11) voltada contra o sentido fluxo do escoamento, e a segunda porção (12), contraposta à primeira porção (11), apresenta a extremidade com uma terminação de formato afunilado; a seção reta em que o corpo central (10) atinge o seu diâmetro máximo (10') pode ser considerada como a seção de transição entre a primeira porção semi-esférica (11) e a segunda porção afunilada (12);  - a central body (10), preferably formed by a drop-shaped revolution solid, and subdivided into two distinct portions, the first semi-spherical portion (11) facing the flow direction of flow, and the second portion ( 12), opposed to the first portion (11), has the end with a tapered shaped termination; the straight section in which the central body (10) reaches its maximum diameter (10 ') can be considered as the transition section between the first semi-spherical portion (11) and the second tapered portion (12);
- um alojamento (20), o qual apresenta a forma de dois troncos de cone contrapostos pelo maior diâmetro; um primeiro tronco divergente (21), onde se aloja coaxialmente o corpo central (10), e em sequência um segundo tronco convergente (22);  a housing (20) in the form of two cone trunks opposed by the largest diameter; a divergent first trunk (21), where the central body (10) is coaxially housed, and in sequence a second convergent trunk (22);
- um atuador (30), constituído por um dispositivo servo atuante de precisão como um motor de passo micrométrico, no qual o corpo central (10) é afixado por meio de um elemento de fixação, tal como uma haste (13); a referida haste (13) ser afixada ao corpo central (10) na sua segunda porção afunilada (12); o atuador permitir deslocar o corpo central (10) num sentido ou noutro coaxialmente ao escoamento de maneira que ele permaneça preferencialmente sempre dentro do tronco divergente (21); an actuator (30) consisting of a precision servo actuating device such as a micrometer stepper motor, to which the central body (10) is affixed by means of a fastener such as a rod (13); said rod (13) being affixed to the central body (10) in its second tapered portion (12); the actuator allows the central body (10) to be moved in one direction or another coaxially to the flow so that it preferably always remains within the diverging trunk (21);
- duas zonas de leitura (40 e 40'), localizadas imediatamente à montante e à jusante do alojamento (20) e alinhadas e com o mesmo diâmetro da tubulação normal do escoamento que se pretende mensurar; a zona de leitura (40) à montante ser provida com sensores (41) de pressão e temperatura; a zona de leitura (40') à jusante também ser provida com sensores (41') de pressão e temperatura; e - two reading zones (40 and 40 '), located immediately upstream and downstream of the housing (20) and aligned and having the same diameter as the normal flow pipe to be measured; upstream reading area (40) is provided with pressure and temperature sensors (41); the downstream reading zone (40 ') is also provided with pressure and temperature sensors (41'); and
- um processador de fluxo (50), que recebe os dados registrados e transferidos pelos sensores (41 ) e (41'); monitora as pressões e temperaturas à montante e à jusante, e determina que deslocamento do corpo central (10) deve ocorrer de forma a estabelecer uma área aberta para o escoamento na garganta (10"), necessária para torná-lo sônico; dito deslocamento preferencialmente conforme tabela ou relação matemática gravada no processador de fluxo (50).  - a flow processor (50), which receives data recorded and transferred by sensors (41) and (41 '); monitors upstream and downstream pressures and temperatures, and determines which displacement of the central body (10) should occur in order to establish an open throat flow area (10 ") necessary to make it sonic; said displacement preferably according to table or mathematical relationship recorded in the flow processor (50).
2- MEDIDOR DE VAZÃO COM BOCAL VENTURI DE CORPO CENTRAL, de acordo com a reivindicação principal, caracterizado por o corpo central (10) apresentar um comprimento suficiente para que ao ser montado dentro do alojamento (20), a sua porção semi-esférica (11 ) seja posicionada após o início do tronco divergente (21 ), e a segunda porção afunilada (12), com a respectiva haste (13) de sustentação, fique posicionada antes do plano de encontro dos troncos divergente (21) e convergente (22). Central-body nozzle flow meter according to the main claim, characterized in that the central body (10) is of sufficient length that, when mounted within the housing (20), its semi-spherical portion ( 11) is positioned after the beginning of the divergent trunk (21), and the second tapered portion (12), with its supporting rod (13), is positioned before the divergent (21) and convergent (22) trunk meeting plane. ).
3- MEDIDOR DE VAZÃO COM BOCAL VENTURI DE CORPO CENTRAL, de acordo com a reivindicação principal, caracterizado por o corpo central (10) ser manufaturado em diversos materiais simples ou compósitos, de acordo com a exigência da aplicação em termos de acabamento superficial e tolerâncias. Center-body nozzle flowmeter VENTURI according to the main claim, characterized in that the central body (10) is manufactured in various simple or composite materials, according to the application requirement in terms of surface finish and tolerances. .
4- MEDIDOR DE VAZÃO COM BOCAL VENTURI DE CORPO CENTRAL, de acordo com a reivindicação principal, caracterizado por o corpo central (10) ser manufaturado em um material de menor custo e recoberto com outro mais nobre, barateando sua fabricação. 4. Central-body nozzle flowmeter VENTURI according to the main claim, characterized in that the central body (10) is manufactured from a lower cost material and covered with a nobler one, making it cheaper to manufacture.
5- MEDIDOR DE VAZÃO COM BOCAL VENTURI DE CORPO CENTRAL, de acordo com a reivindicação principal, caracterizado por o ângulo de abertura do tronco divergente (21) do referido alojamento (20) estar preferencialmente na faixa de 0o a 5o. 5. Center-body nozzle flowmeter VENTURI according to the main claim, characterized in that the angle of opening the divergent stem (21) of said housing (20) is preferably in the range of 0 to 5 o.
6- MEDIDOR DE VAZÃO COM BOCAL VENTURI DE CORPO CENTRAL, de acordo com a reivindicação principal, caracterizado por o ângulo de abertura do tronco convergente (22) deve estar preferencialmente na faixa de 15° a 25°.  6. Center-body nozzle flowmeter VENTURI according to the main claim, characterized in that the opening angle of the convergent trunk (22) is preferably in the range of 15 ° to 25 °.
7- MEDIDOR DE VAZÃO COM BOCAL VENTURI DE CORPO CENTRAL, de acordo com a reivindicação principal, caracterizado por o escoamento do fluido ocorrer na área formada pelo anular entre a superfície interna do alojamento (20) e a superfície externa do corpo central (10).  7. Center-body nozzle flow meter according to the main claim, characterized in that fluid flow occurs in the area formed by the annular between the inner surface of the housing (20) and the outer surface of the central body (10). .
8- MEDIDOR DE VAZÃO COM BOCAL VENTURI DE CORPO CENTRAL, de acordo com a reivindicação principal, caracterizado por apresentar um trecho em que a área do anular, desde o início do tronco divergente (21) até a seção de diâmetro máximo (10') do corpo central (10) é progressivamente reduzida, este primeiro trecho é considerado como o bocal do venturi de corpo central.  8. Center-body nozzle flowmeter VENTURI according to the main claim, characterized in that it has a section in which the annular area, from the beginning of the divergent trunk (21) to the maximum diameter section (10 ') of the central body (10) is progressively reduced, this first stretch is considered as the central body venturi nozzle.
9- MEDIDOR DE VAZÃO COM BOCAL VENTURI DE CORPO CENTRAL, de acordo com a reivindicação principal, caracterizado por apresentar um trecho em que o corpo central (10) diminui de diâmetro e consequentemente a área anular de passagem ao escoamento aumenta até que se atinja a área máxima correspondente à seção reta do alojamento (20), este segundo trecho é considerado como o difusor do venturi de corpo central.  9. The central body nozzle flow meter according to the main claim, characterized in that it has a section in which the central body (10) decreases in diameter and consequently the annular flow passage area increases until it reaches maximum area corresponding to the straight section of the housing (20), this second stretch is considered as the central body venturi diffuser.
10- MEDIDOR DE VAZÃO COM BOCAL VENTURI DE CORPO CENTRAL, de acordo com a reivindicação principal, caracterizado por alternativamente a seção reta de maior diâmetro (10') do corpo central (10), de comprimento infinitesimal e fronteira de transição entre o bocal e o difusor, corresponder à garganta (10") do venturi. 10. Central-centered nozzle flowmeter VENTURI according to the main claim, characterized by alternatively the larger diameter straight section (10 ') of the central body (10), of infinitesimal length and transition boundary between the nozzle and the diffuser, match the throat (10 ") of the venturi.
11 - MEDIDOR DE VAZÃO COM BOCAL VENTURI DE CORPO CENTRAL, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por a garganta (10") apresentar uma garganta de comprimento finito. 11 - FLOW METER WITH CENTRAL BODY VENTURI, Claim 10, characterized in that the throat (10 ") has a finite length throat.
12- MEDIDOR DE VAZÃO COM BOCAL VENTURI DE CORPO CENTRAL, de acordo com a reivindicação principal, caracterizado por a zona de leitura (40) à montante ser provida com sensores (41 ) de pressão e temperatura, e alternativamente também ser provido um ponto de coleta e análise da composição do fluido. 12. Central-centered nozzle flowmeter according to the main claim, characterized in that the upstream reading zone (40) is provided with pressure and temperature sensors (41), and alternatively also a setpoint is provided. collection and analysis of fluid composition.
3- MEDIDOR DE VAZÃO COM BOCAL VENTURI DE CORPO CENTRAL, de acordo com a reivindicação principal, caracterizado por a zona de leitura (40) à montante ser provida com sensores (41 ) de pressão e temperatura, e alternativamente também ser provido de dispositivos de retificação do escoamento.  Central-body nozzle flow meter according to the main claim, characterized in that the upstream reading zone (40) is provided with pressure and temperature sensors (41) and alternatively is also provided with pressure measuring devices. flow rectification.
14- MEDIDOR DE VAZÃO COM BOCAL VENTURI DE CORPO CENTRAL, de acordo com a reivindicação principal, caracterizado por um sensor de pressão provido internamente ao próprio corpo central (10) ser capaz de medir a pressão do escoamento na garganta (10") fornecendo ao processador de fluxo (50) informação adicional de maneira a determinar com maior precisão a posição correta em que o corpo central (10) deve estar para que o escoamento na referida garganta (10") do venturi seja sônico.  Center-body nozzle flow meter according to the main claim, characterized in that a pressure sensor provided internally with the central body itself (10) is capable of measuring the flow pressure in the throat (10 ") providing the flow processor (50) further information to more accurately determine the correct position in which the central body (10) should be so that the flow in said venturi throat (10 ") is sonic.
15- MEDIDOR DE VAZÃO COM BOCAL VENTURI DE CORPO CENTRAL, de acordo com a reivindicação principal, caracterizado por as vibrações das ondas de choque dentro do alojamento (20) serem captadas por um sensor provido no corpo central (10), e enviadas ao processador de fluxo (50) de maneira a determinar o posicionamento do referido corpo central (10) até que a onda de choque chegue exatamente na garganta (10").  Center-body nozzle flowmeter VENTURI according to the main claim, characterized in that the shock wave vibrations within the housing (20) are captured by a sensor provided in the central body (10) and sent to the processor. flow rate (50) in order to determine the positioning of said central body (10) until the shock wave reaches the throat (10 ") exactly.
16- MEDIDOR DE VAZÃO COM BOCAL VENTURI DE CORPO CENTRAL, de acordo com a reivindicação principal, caracterizado por prover-se dois sensores de temperatura internamente ao corpo central, um na garganta (10") e outro em uma posição ao longo do difusor do venturi, sendo as respectivas informações enviadas ao processador de fluxo (50), para que se determine a posição do corpo central (10) na qual o escoamento na garganta (10") é sônico. 16. Central-body nozzle flowmeter VENTURI according to the main claim, characterized in that two temperature sensors are provided internally to the central body. one in the throat (10 ") and one in a position along the venturi diffuser, the respective information being sent to the flow processor (50) to determine the position of the central body (10) at which the throat flow (10 ") is sonic.
17- MEDIDOR DE VAZÃO COM BOCAL VENTURI DE CORPO CENTRAL, de acordo com a reivindicação principal, caracterizado por o alojamento (20) apresentar alternativamente uma configuração em que o primeiro trecho onde se aloja o corpo central (10) é convergente e o que lhe segue é divergente. 17. Center-body nozzle flow meter according to the main claim, characterized in that the housing (20) alternatively has a configuration in which the first section housing the central body (10) is convergent and the one to which it is located. follows is divergent.
8- MEDIDOR DE VAZÃO COM BOCAL VENTURI DE CORPO CENTRAL, de acordo com a reivindicação principal, caracterizado por alternativamente a primeira porção (11 ) apresentar uma conformação com formato de um cone ou de um semi-elipsóide.  Central-body nozzle flowmeter according to the main claim, characterized in that the first portion (11) alternatively has a cone or semi-ellipsoid shape.
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