BRPI0612041A2 - controlador de fluxo de fluido - Google Patents

Abstract

CONTROLADOR DE FLUXO DE FLUIDO. A presente invenção se refere a um controlador de fluxo magnético que transforma uma lenta redução em pressão de fluxo de fluido gradualmente em um fluxo de fluido mensurável. Quando um diferencial de pressão limite é alcançado, uma passagem de fluxo através do controlador de fluxo se abre rapidamente em uma abertura relativamente grande desse modo gerando um volume de fluido em fluxo elevado fluindo através da passagem, particularmente para permitir a medição do volume de fluido em um medidor de fluxo convencional. O dispositivo da presente invenção integra esse fluxo pequeno e transforma o mesmo em fluxo de fluido mensurável, de modo que o fluido pode ser medido pelo medidor de fluido dentro de sua faixa ótima de erro. Isso é realizado enquanto mantendo uma queda de pressão nomedidor de fluxo que está dentro dos padrões permitidos. Desse modo, a invenção provê mudanças relativamente acentuadas entre corrente de fluxo substancialmente elevada e nenhum fluxo, de uma maneira semelhante a pulso.

Description

CONTROLADOR DE FLUXO DE FLUIDO

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção se refere a um dispositivo parapermitir a medição de pequenos fluxos de fluido, em gèrale, especificamente, a um controlador de fluxo de fluido,especialmente para uso em conjunto com um hidrômetro, parapermitir a medição de pequenos fluxos de água.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Para medir a utilização de água por diversos usuáriosem um sistema, cada usuário é provido com um hidrômetro emsua linha de fornecimento de água, que mede e registra aquantidade de água passando através do hidrômetro. Essaquantidade medida pode ser usada pelo usuário paramonitorar a sua utilização, assim como pelo fornecedor deágua local, tal como uma cidade, com o propósito de cobrança.

Em muitos edifícios existem vazamentos e outrasdemandas de água em baixos volumes que são muito pequenospara serem medidos por um medidor. Contudo, como essesfluxos continuam durante o dia todo, a utilização nãomedida pode atingir 15% da água total fornecida àqueleedifício. Tradicionalmente, se lida com esse problema porintermédio do uso de uma classe superior de sistema demedição, isto é, da Classe B para a Classe C, ou até mesmoClasse D. Cada classe de medição tem vantagens edesvantagens. Mudar da Classe A para classes superioresmelhora drasticamente a capacidade do medidor em medirpouco fluxo. Contudo, a confiabilidade da função do medidorse torna mais problemática com cada classe superior, damesma forma que o custo da utilização do sistema.Outra forma de lidar com esse problema é a deutilizar medidores de diâmetro menor, isto é, reduzir de1,905 centímetros para 1,27 centímetros. Desse modo, acapacidade de medir pequeno fluxo é aumentada, uma vez quequanto menor for o diâmetro, menor o valor do volumenominal no qual o medidor trabalhará por um longo tempo semquebra. A desvantagem desse método é que a queda de pressãoatravés do hidrômetro em um determinado fluxo aumenta emproporção inversa ao diâmetro. Desse modo, tubos comdiâmetros menores têm mais probabilidade de criar uma quedade pressão inaceitável através do medidor. Além disso,reduzir o diâmetro do tubo e a redução resultante napressão, provavelmente resultará em perda de pressão deágua para o consumidor. Para prevenir essa perda depressão, tubos maiores são exigidos em pressão defornecimento superior. Isso significa custos muito maiselevados de infra-estrutura e energia desperdiçadaresultante da perda de pressão através do medidor. Dessemodo, embora esses métodos possam reduzir de certo modo oproblema de fluxo de água não medido, eles não proporcionamuma solução satisfatória, e causam problemas adicionais.

Alguns tipos diferentes de medidores de água sãoutilizados atualmente: medidores multijato, de jato único,de deslocamento positivo, de oscilação hidráulica, e assimpor diante. A faixa de medição de fluxo ou volume de cadamedidor é definida de acordo com os parâmetros a seguir eilustrada na Figura 1. A Figura 1 é um gráfico ilustrando apercentagem de erro de medição em relação ao fluxo Q de umhidrômetro convencional. Qstart é o fluxo no qual o medidorcomeça a responder ao volume passando através dele. Errosde medição são provavelmente de dezenas em termospercentuais. Como pode ser visto, existe uma faixa entre 0e Qstart onde o medidor pára, uma vez que ele éabsolutamente incapaz de medir. A partir de um fluxo mínimoQmin até um fluxo superior Qt(Qtransition)/ um erro deaproximadamente ±5% é aceitável. Em Qt (Qtransition) apercentagem aceitável de erro da medição não pode sersuperior a ±2%. Como se pode ver a partir de Qt a Qmax (ofluxo máximo possível através do medidor com uma queda depressão inferior a 1 atmosfera), a medição está na faixaótima de erro, inferior a ±2%. Como se pode ver, em talmedidor, um vazamento lento Qieak resultando em um fluxo depequeno volume, lento, provavelmente é inferior a Qstart ouQmin/ e não seria absolutamente detectável pelo medidor.

Os medidores convencionais foram projetados paramedir através de uma faixa ampla de fluxo. Contudo, issosignifica que nas extremidades, alta e baixa, da faixa, amedição é extremamente imprecisa, se de qualquer modo formedida. Para prover medição mais exata por uma faixaespecífica de fluxo, o medidor combinado foi desenvolvido.Um hidrômetro combinado inclui um medidor principal quepode ser conectado a um encanamento principal de água paradeterminar quantidades maiores de fluxo de água e a ummedidor auxiliar que está disposto em um conduto de desviopara determinar menores quantidades de fluxo de água. Essesdispositivos são geralmente de fabricação e manutençãomuito dispendiosas.

Um dispositivo mecânico para prevenir quequantidades não medidas de fluido passem pelos medidores éilustrado na Patente GB 2083 de Meineke. Essa patentedescreve um medidor que tem um encanamento principal e umtubo de serviço com uma resistência variável colocada entreeles. 0 dispositivo inclui uma válvula entre o encanamentoprincipal e o tubo de serviço, que sofre a ação de umaalavanca fendida com o peso aumentado por intermédio de umpeso de rolamento. Quando o peso está na posição no sentidopara fora, a resistência à passagem de fluido é grande, masquando a pressão de fluido diminui no tubo de serviço, aválvula e alavanca são erguidas de modo que o peso deslizapara outra extremidade da fenda, e a resistência diminui,permitindo assim uma súbita abertura da válvula.

Existem válvulas conhecidas utilizando um eletroímãpermanente e um cabeçote móvel preso por um campomagnético. Geralmente o cabeçote móvel é arredondado eretido pelo eletroímã na sede de válvula até que pressãosuficiente seja criada para deslocá-lo a partir da sede deválvula e abrir a válvula. Tal mecanismo de válvula émostrado e descrito na publicação de patente EP 925465.Esse pedido descreve um mecanismo de válvula para fluidos,magneticamente fechada, aberta mediante pressão, tendo umcorpo de vedação que tem pelo menos uma área em seçãotransversal circular, dimensionada para ser acunhada naabertura do mecanismo de válvula.

Outro exemplo de tal mecanismo é mostrado na PatenteUS 5.320.136 de Morris et al. Essa patente descreve umaválvula de retenção magneticamente operada tendo um corpode válvula, um cabeçote móvel disposto no mesmo e umeletroímã. Quando a pressão do líquido atuando sobre ocabeçote móvel está abaixo de um limite mínimo, o cabeçotemóvel é atraído para o eletroímã, fechado o tubo. Se umfluxo lento de líquido continuar, o líquido é coletado emantido pelo cabeçote móvel até que a pressão do líquidocoletado exceda a força magnética, tirando da sede ocabeçote móvel para uma posição aberta. Esse cabeçote móvele eletroímã são configurados para reter magneticamente omaterial particulado atraído e impedir que ele flua para aregião de assentamento da válvula.

Nessas válvulas convencionais, o movimento docabeçote móvel imediatamente abre a sede de válvula atravésde uma área de superfície relativamente pequena, permitindoum pequeno fluxo de líquido através da válvula até queequilíbrio seja alcançado entre a força magnética atraindoo cabeçote móvel e diminuindo a pressão de fluido atuandosobre o cabeçote móvel, até que o cabeçote móvel não maisse desloque se afastando da sede de válvula. Desse modo,essas válvulas não proporcionam fluxos suficientementegrandes para medição pelos medidores de água convencionais.

Mecanismos de válvula magnética convencionais sãoprojetados para conseguir equilíbrio na posição aberta.

Desse modo, quando a pressão de fluido supera a força docampo magnético, o cabeçote móvel é deslocado a partir dasede de válvula, criando uma pequena abertura de fluxo defluido e uma redução lenta na pressão. Ao mesmo tempo,quando o cabeçote móvel se desloca, a força do campomagnético é reduzida, e equilíbrio é alcançado com ocabeçote móvel na posição aberta, desde que haja um fluxode fluido relativamente fixo através da válvula acima dovalor limite.

Também é conhecido, a partir da Patente US6.317.051, um sistema de monitoração de fluxo de água paradeterminar a presença de vazamento em tubos de encanamentotendo água fluindo através dos tubos sob alta pressão. 0sistema inclui um monitor de fluxo que é montado no tubo,um controlador composto de um registrador de tempo ou ummedidor de volume acumulado para determinar quando o fluxocontinuou por um período de tempo pré-selecionado ou quandoa quantidade de água excedeu um limite de volume acumuladopré-selecionado, e componentes lógicos respondem àsmudanças no regime de fluxo, em cujo momento, uma válvula éacionada para parar o fluxo através do tubo. Essa solução émuito complicada e de fabricação e manutenção dispendiosas.

Conseqüentemente, há muito tempo é sentida anecessidade de um dispositivo que concentre baixos volumesde fluido e impeça o fluxo de fluido até que haja um volumesuficiente a ser liberado como fluxo mensurável, o qualpode ser medido em um medidor convencional com umapercentagem de erro aceitável, e seria desejável que taldispositivo fechasse rapidamente a passagem de fluxo quandodiminuísse a pressão do fluido atuando sobre ele.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

É provido, de acordo com a presente invenção, umcontrolador de fluxo magnético que transforma um fluxo deentrada de baixa pressão em um volume de fluido de pressãosuperior com o passar do tempo até uma pressão limitepredefinida, e que controle a passagem do fluido de modo aprover um fluxo de saída em um alto fluxo mensurável. Dessemodo, esse controlador de fluxo pode permitir a medição dofluxo quando o volume estiver, substancialmente, em umafaixa de medição ótima de um medidor de fluxo convencional,de modo que os erros de medição serão mínimos.Conseqüentemente, a invenção provê um controlador defluxo magnético incluindo uma passagem de fluxo de fluidotendo um eletroímã, um elemento de vedação magnéticodeslocável disposto na passagem, o elemento deslocável e apassagem de fluxo de fluido sendo moldados para permanecervedados durante um primeiro movimento do elementodeslocável através da passagem de fluxo, desse modoacumulando gradualmente o volume de fluido e a pressãoatuando sobre o elemento deslocável, e modelados pararapidamente abrir completamente a vedação, de modo a gerarum volume mensurável de fluido através da passagem.

De acordo com uma modalidade preferida, ocontrolador de fluxo inclui ainda um elemento de retornoadaptado e configurado para fazer com que o elementodeslocável retorne em direção ao eletroímã.

De acordo com uma modalidade preferida, ocontrolador de fluxo inclui ainda um parafuso de ajusteacoplado ao eletroímã e montado no elemento detentor paradeterminar o ponto de engate do elemento deslocável e oparafuso de ajuste.

De acordo com uma modalidade da invenção, ocontrolador de fluxo inclui uma passagem de fluxo definindouma parede de vedação entre a entrada de fluido tendo umferromagneto e uma saída de fluido, um elemento de vedaçãomagneticamente atraído, deslocável disposto de forma vedadana passagem de fluxo, a parede de vedação e o elemento devedação tendo contornos que interagem permitindo movimentode deslizamento do elemento deslocável através da passagemde fluxo, enquanto mantém a vedação entre o elemento devedação e a parede de vedação, até que um diferencial depressão predefinido seja atingido o qual supera o campomagnético reduzido, em cujo ponto o elemento deslocãvel éretirado da sede a partir da parede de vedação e aceleradono sentido contrário à entrada de fluxo de modo a criar umasúbita queda em pressão e para permitir um pulso de fluxode fluido/volume mensurável através da passagem.

De acordo com uma modalidade preferida da invenção,o movimento do elemento deslocável no controlador de fluxoé caracterizado por movimento de Histerese.

De acordo com uma modalidade da invenção, o elementodeslocável tem um formato hidrodinâmico tendo uma porçãoalongada central de diâmetro constante permitindo movimentoao longo da parede de vedação enquanto mantém a vedação.Essa porção central controla o movimento de histerese doelemento deslocável o qual, por sua vez, controla o volumedo pulso de fluido.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A presente invenção será mais bem-entendida econsiderada a partir da descrição detalhada seguinteconsiderada em conjunto com os desenhos nos quais:

A Figura 1 é um gráfico ilustrando a percentagem deerro de medição através do fluxo Q de um hidrômetroconvencional.

A Figura 2a é uma ilustração esquemática de umcontrolador de fluxo de fluido construído e operativo deacordo com uma modalidade da presente invenção, em umaorientação fechada e vedada;

A Figura 2b é uma vista secional da Figura 2a tomadaao longo da linha B-B;

A Figura 2c é uma vista secional lateral esquemáticade um controlador de fluxo de fluido de acordo com umamodalidade da invenção em uma orientação aberta e nãovedada.

A Figura 2d é uma vista secional lateral eesquemática de um controlador de fluxo de fluido de acordocom uma modalidade da invenção em uma orientação fechada evedada.

A Figura 3 é uma ilustração esquemática docontrolador de fluxo de fluido de acordo com a Figura 2 emuma orientação móvel, porém, vedada;

A Figura 4 é uma ilustração esquemática docontrolador de fluxo de fluido de acordo com a Figura 2 emuma orientação adicional móvel, mas vedada;

A Figura 5 é uma ilustração esquemática docontrolador de fluxo de fluido de acordo com a Figura 2 emuma orientação aberta e não vedada;

A Figura 6 é um gráfico ilustrando a curva dehisterese de um elemento deslocável em uma modalidadepreferida da invenção;

A Figura 7 é um gráfico ilustrando o fluxo emrelação ao tempo gerado por um dispositivo de acordo com apresente invenção;

A Figura 8 é uma ilustração esquemática de umcontrolador de fluxo de fluido de acordo com a invençãomontado em um hidrômetro; e

A Figura 9 é uma ilustração esquemática de umcontrolador de fluxo de fluido de acordo com a invençãomontado em um hidrômetro alternativo.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

A presente invenção se refere a um controlador defluxo magnético que transforma uma redução lenta em pressãode fluxo de fluido gradualmente em um fluxo de fluidomensurável. Quando um diferencial de pressão limite éalcançado, uma passagem de fluxo através do controlador defluxo se abre rapidamente para uma abertura relativamentegrande, desse modo gerando um volume de fluido em elevadofluxo fluindo através da passagem, particularmente parapermitir a medição do volume de fluido em um medidor defluxo convencional. 0 dispositivo da presente invençãointegra esse baixo fluxo e o transforma em um fluxo defluido mensurável (elevado volume fluindo por um curtoperíodo de tempo) , de modo que o fluido pode ser medidopelo medidor de fluido dentro de sua faixa de erro ótima.Isso é realizado enquanto mantendo uma queda de pressão nomedidor de fluxo que está dentro dos padrões permitidos(isto é, menos do que uma atmosfera para medidoresmultijato em capacidade máxima). Desse modo, a invençãoprovê mudanças relativamente acentuadas entre corrente defluxo substancialmente elevada e nenhum fluxo, de umamaneira semelhante a pulso, a jusante do controlador.

As Figuras 2a, 2b, 2c e 2d são ilustrações em seçãotransversal e lateral esquemáticas de um controlador defluxo magnético 10 construído e operativo de acordo com umamodalidade da presente invenção, em uma orientação fechadae vedada, e disposto em um tubo de fluxo de fluido 11. 0controlador de fluxo 10 inclui uma passagem de fluxo defluido 12 através do corpo 2 0 tendo uma entrada de fluido14 e uma saída de fluido 16. A entrada de fluido 14 éacoplada a uma fonte de fluido, por exemplo, umfornecimento de água. A saída de fluido, 16, é acoplada ajusante, por exemplo, para um consumidor, por exemplo, umatubulação de fornecimento de água em uma residência. Namodalidade ilustrada, a entrada de fluido, 14, inclui umelemento detentor, ferromagnético, 18, o qual pode incluirum ferromagneto ou ser formado de um materialferromagnético. 0 elemento detentor 18 ê afixado ao corpo20 e inclui um ou mais elementos de vedação, aqui ilustradocomo um elemento de vedação anular 19.

Um elemento de vedação 22, o qual pode ser umelemento anular, aqui ilustrado como um elemento de vedaçãoalongado, tendo uma parte de diâmetro constante e paredesinternas 23, é montado no corpo 20. Vários elementos deguia 24 podem ser providos no corpo 2 0 ao longo docomprimento da passagem de fluxo 12, ou o corpo 20 pode serconfigurado para incluir também elementos internos de guia.

Disposto na extremidade a jusante do elemento de corpo 20está um elemento detentor de saída 26, montado no corpo 20por elementos de suporte 28, entre os quais o fluido fluipara fora da saída de fluido, 16.

Um elemento deslocável 30 é disposto na passagem defluxo 12, entre os elementos de guia 24 e é arranjado parase deslocar entre paredes internas 23 do elemento devedação 22. O elemento deslocável 30 e o elemento devedação 22 são configurados para prover uma vedação defluido enquanto o elemento deslocável 3 0 se desloca emrelação ao elemento de vedação 22 por uma distânciaselecionada, de modo a desenvolver velocidade de movimentodo elemento deslocável. Isso faz com que o elementodeslocável acelere até uma velocidade tal que, quando oengate de vedação é liberado, o elemento deslocávelcontinua a se afastar da entrada e provê uma aberturarápida e completa da passagem de fluxo de fluido. Namodalidade ilustrada, o elemento deslocãvel 30 é adaptado econfigurado para assentar contra o elemento detentor 18 eimpedir o fluxo de fluido para dentro da passagem de fluxo12, na orientação fechada. Preferivelmente, o elementodeslocável 3 0 tem um formato hidrodinâmico de modo a nãoobstruir o fluxo de fluido quando a passagem de fluxo estáem um estado aberto. Na modalidade ilustrada, o elementodeslocável 30 inclui uma porção 32 de diâmetrosubstancialmente constante, aqui ilustrada como uma porçãocilíndrica. A porção cilíndrica 32 é adaptada e configuradapara deslizar ao longo do elemento de vedação 22 e seengatar vedadamente com ele, desde que eles estejam pelomenos parcialmente em alinhamento mútuo. Será consideradoque qualquer um ou ambos, o elemento de vedação 22 e oelemento deslocável 30, podem incluir uma porção alongadapara permitir movimento relativo enquanto mantendo engatede vedação ao longo da porção alongada, para que o elementodeslocável desenvolva velocidade.

De acordo com outra modalidade da invenção,ilustrada na Figura 2d, pelo menos a porção 32 do elementodeslocável 30 pode incluir material de vedação 45 paraengate de vedação com o corpo 20, desse modo eliminando anecessidade do elemento de vedação 22. A porção 32 doelemento deslocável 30 incluindo material de vedação 45 éconfigurada para prover uma vedação de fluido enquanto oelemento de deslocável 30 se desloca em relação ao corpo 20por uma distância selecionada, de modo a desenvolvervelocidade de movimento do elemento deslocãvel. Comomostrado na Figura 2d, o material de vedação 45 da porção32 está em engate de vedação com o corpo 20 quando oelemento deslocável 3 0 está em uma orientação fechada evedada.

Um eletroímã 34 é montado no elemento deslocável 30,ou o elemento deslocável 3 0 pode ser formado de um materialmagnético. Preferivelmente, uma peça de materialferromagnético 36 também é montada no elemento deslocável30, em torno do eletroímã 34, de modo a fechar o circuitomagnético.

Preferivelmente, um elemento de retorno 38 éassociado ao elemento deslocável 30. O elemento de retorno38 é configurado e disposto para fazer com que o elementodeslocável se desloque para trás em direção ao elementodetentor 18 a partir de uma orientação completamenteaberta. Na modalidade ilustrada, o elemento de retorno 3 8 éuma mola de compressão propendida entre um ressalto 3 9 noelemento deslocável 30 e o elemento detentor 26. De acordocom uma modalidade alternativa, o elemento de retorno 38pode ser um corpo de metal ou outro eletroímã (nãomostrado) disposto no elemento detentor 26 ou próximo a elee arranjado de modo a criar uma força magnética pararepelir o eletroímã 34 no elemento deslocado 30.

De acordo com uma modalidade da invenção, o sensoreletromagnético 31 é acoplado adjacente ao controlador defluxo. O sensor 31 pode ser um interruptor de lingüeta, ouum enrolamento, ou qualquer outro sensor adequado, que sejacapaz de detectar o movimento do elemento deslocável eprover um sinal de saída correspondendo a ele. 0 sensor 31preferivelmente é acoplado a um computador 33, ou outrodispositivo para receber o sinal de saída e compilar osdados providos pelo sensor. Esses dados são processadospara determinar se o movimento do elemento deslocávelindica a presença de um vazamento. Se desejado, ocomputador 33 pode ser acoplado a um controlador 35 paraprover um aviso, tal como um alarme ou outra indicação devazamento.

Será considerado que, de acordo com uma modalidadealternativa da invenção, o eletroímã pode ser montado noelemento detentor na entrada, e o elemento deslocável podeser feito de um material ferromagnético, ou ambos podemincluir um eletroímã. A única exigência é que seja criadauma força magnética entre os dois que seja suficientementeforte para manter o elemento deslocável em contato devedação com o elemento detentor na ausência de fluxo defluido, e a qual ê gradualmente reduzida quando o elementodeslocável se afasta do elemento detentor.

De acordo com uma modalidade da invenção ilustradana Figura 2c, o elemento detentor 18 inclui ainda umparafuso de ajuste 37 disposto em um alojamentosubstancialmente cilíndrico 13 tendo uma extremidadesuperior aberta (não mostrada) e uma extremidade inferioraberta 15, paredes laterais 17, uma tampa 21 tendo umaprojeção substancialmente cilíndrica 25 incluindo umaranhura anular para reter uma vedação de anel-0 27, paravedar a extremidade superior aberta do alojamento 13. Seráconsiderado que o alojamento 13 pode ser configurado emdiversos formatos geométricos e a vedação 27; tampa 21 eprojeção 2 5 podem ser formadas conformemente para vedar aextremidade superior do alojamento 13.Adicionalmente, de acordo com a modalidade ilustradana Figura 2c, o alojamento 13 é adaptado e configurado parareter um eletroímã 29 acoplado ao parafuso de ajuste 37tendo roscas de parafuso anulares 41. Preferivelmente, oparafuso de ajuste 37 pode ser formado de materialferromagnético não corrosivo para melhorar a atraçãomagnética e proteger o eletroímã 29 contra corrosão.Preferivelmente, o acoplamento do eletroímã 29 ao parafusode ajuste 37 pode ser realizado mediante simples atraçãomagnética. 0 parafuso de ajuste 37 está disposto noalojamento 13 e é sustentado por intermédio de roscas deparafuso anulares complementares 43 nas paredes laterais17, adjacentes à extremidade inferior 15. 0 parafuso deajuste 37 pode ser deslocado ao longo de um eixo verticaldentro do alojamento 13 em ambas as direções mediante girode uma chave de parafuso colocada em uma ranhura de chavede parafuso 39 na superfície superior do parafuso deajuste. 0 deslocamento do parafuso de ajuste 37 provê adeterminação do ponto de engate do elemento deslocável 30 eparafuso de ajuste 37. Preferivelmente, a superfícieinferior do parafuso de ajuste 37 é adaptada e configuradapara engatar substancialmente de forma completa asuperfície superior do elemento deslocável 30. Seráconsiderado que como o parafuso de ajuste 37 é formadopreferivelmente de material ferromagnético, ele é condutivopara condução de forma magnética através do mesmo para umamelhor atração do elemento deslocável 30 para o eletroímã29. Mediante giro do parafuso de ajuste 37 o engate entresua superfície inferior e a superfície superior do elementodeslocável 30 pode ser otimizado desse modo maximizando aatração magnética entre o eletroímã 29 e o elementodeslocável 30. Além disso, deslocar o parafuso de ajuste 37causa o deslocamento do eletroímã 29 mais para próximo, oupara mais distante do elemento deslocável 3 0 desse modoaumentando ou diminuindo a força de atração magnética entreeles, conforme desejado.

Será considerado ainda que mediante determinação doponto de engate do elemento deslocável 3 0 e parafuso deajuste 37 a superfície de engate entre a porção 32 doelemento deslocável 30 e o elemento de vedação 22 também édeterminada. Desse modo, o parafuso de ajuste pode serusado para otimizar o engate de vedação entre os mesmos.Será considerado ainda que o parafuso de ajuste 37 permiteque se construa o controlador de fluxo, de acordo com apresente invenção, de componentes menos precisos e assimmais baratos e proporcionar ainda uma boa vedação assimcomo boa atração magnética entre o eletroímã 2 9 e oelemento deslocável 30. Preferivelmente, o alojamento 13 éformado de material não corrosivo e é substancialmentevedado por intermédio da tampa 21 e parafuso de ajuste 3 7para proteger o eletroímã 29 contra corrosão.

A operação dessa modalidade da invenção serádescrita agora com referência às Figuras 2a, 3, 4 e 5. AFigura 2a mostra o dispositivo da presente invenção em umaorientação fechada e vedada. Como descrito acima, oelemento deslocável 3 0 é assentado contra o elementodetentor de entrada 18 de modo que fluido, na pressão defornecimento Ps, é retido acima do elemento deslocável 30,fora da entrada de fluido 14. Quando uma quantidade defluido é usada ou retirada a jusante, como pelo consumidor,a pressão dentro da passagem de fluxo 12 é reduzida,criando assim um diferencial de pressão através da entradade fluido 14. Quando uma grande quantidade de fluido éutilizada, tal como mediante abertura de uma torneira deágua, o diferencial de pressão é grande, e o elementodeslocável 30 se desloca rapidamente para a passagem defluxo 12, desse modo permitindo o influxo de fluido para eatravés do controlador de fluxo. Enquanto continuar ademanda, continua o diferencial de pressão, e o fluidocontinua a pressionar contra o elemento deslocável 30 efluir em torno dele e através da passagem de fluxo,conforme sabido.

Contudo, no caso de um vazamento ou de um pequenofluxo de fluido a jusante do controlador de fluxo, odiferencial de pressão é pequeno e se desenvolve muitolentamente e gradualmente, e a força magnética atua paramanter o elemento deslocável contra o elemento detentor, demodo que o elemento deslocável não se move. Quando odiferencial de pressão cresce, um limite será alcançado emque a força do diferencial de pressão atuando sobre oelemento deslocável 3 0 na direção da saída de fluido igualaa força do eletroímã atuando sobre o elemento deslocável 3 0na direção da entrada de fluido. Quando esse limite éultrapassado, o elemento deslocável 3 0 começará a sedeslocar através da passagem de fluxo 12 em direção à saídade fluido.

É uma característica específica da presente invençãoque o elemento deslocável 30 e a passagem de fluxo 12 (ouelemento de vedação 22 na passagem de fluxo) são moldadosde tal modo que o elemento deslocável pode se mover por umadistância pré-selecionada através da passagem de fluxo semacabar com a vedação entre eles. Nessa modalidade, isso éprovido pela porção 32 de diâmetro substancialmenteconstante. Desse modo, como visto na Figura 3, a porçãocilíndrica 32 do elemento deslocável 30 se desloca ao longodo elemento de vedação 22 enquanto permanecendo vedadamenteengatado. Isso significa que o diferencial de pressãoatravés da entrada de fluido no controlador de fluxo dapresente invenção continua a crescer sem abrir a passagemde fluxo, ao contrário dos dispositivos magnéticosconvencionais em que a passagem de fluxo se abreimediatamente após o movimento do cabeçote móvel.

Será considerado que, quando o elemento deslocável30 se afasta do elemento detentor 18 devido ao diferencialde pressão através da entrada de fluido, a força do campomagnético entre o ferromagneto no elemento detentor 18 e oeletroímã 34 no elemento deslocável 30 se torna menor. Essaredução em força magnética atuando na direção da entrada defluxo, atuando junto com o aumento na força na direção desaída devido à pressão do volume de água atuando para abrira entrada de fluido, serve para acelerar o movimento doelemento deslocável 30 através da passagem de fluxo 12 emdireção à saída de fluxo 16 e aumenta a velocidade na qualo elemento deslocável 30 se afasta da entrada e, portanto,a distância em que ele se desloca do elemento de vedação 22.

Desse modo, o elemento deslocável 30 continua a sedeslocar na direção da saída de fluxo, como visto na Figura4. Como se pode ver, o elemento deslocável 30 se deslocoupor uma distância selecionada em relação à passagem defluxo 12 e, devido aos formatos complementares das paredesinternas do elemento de vedação 22 e elemento deslocável30, a vedação ainda não está aberta entre eles. Essadistância é determinada pelo comprimento do engate devedação entre o elemento de vedação 22 e o elementodeslocável 30. Esse comprimento é selecionado de modo apermitir que o elemento deslocável 30, enquanto sedeslocando na direção da saída, desenvolva velocidadesuficiente para continuar seu movimento além do ponto ondea passagem de fluxo 12 é aberta. Devido a essa velocidade,o elemento deslocável 30 se afasta do elemento detentor 18,desse modo a força magnética empurrando o elementodeslocável na direção oposta é diminuída e o elementodeslocável pode continuar o seu movimento na direção desaída. O elemento deslocável 3 0 pode se deslocar por umadistância suficiente de modo que a pressão diferencial,embora diminuindo devido ao fluxo de fluido através dapassagem, permanecerá maior do que a força magnética. Dessemodo, o controlador de fluxo de acordo com a presenteinvenção impede que o elemento deslocável 30 oscile entreas posições fechadas e abertas da passagem de fluxo 12 (umfenômeno conhecido como "oscilação", causado pela forçamagnética sendo ainda suficientemente forte paraneutralizar a força exercida pela pressão diferencial sobreo elemento deslocável 3 0 para movimento na direção da saídade fluido 16).

À medida que o efeito da força do campo magnético setorna menor, enquanto a pressão atuando na direção de saídapermanece a mesma ou maior, o elemento deslocável 30 sedesloca em uma taxa acelerada além do elemento de vedação22 até uma posição não vedada, conforme mostrado na Figura5. O elemento deslocável 30 e a passagem de fluxo 12 sãoprojetados de tal modo que o percurso de fluxo se abresubitamente até uma abertura substancialmente completa comuma área de superfície relativamente grande, permitindorápido fluxo do fluido previamente retido em fluxo elevadoem torno do elemento deslocável 3 0 e através da passagem defluxo e, como declarado acima, de modo que o elementodeslocável está suficientemente distante do elemento devedação que a força magnética não é suficiente paraimediatamente fazer com que ele mude de direção e feche apassagem de fluxo. Esse modelo de um corpo tendo umapassagem ampla com um elemento deslocávelhidrodinamicamente formado provê uma perda de altura decarga relativamente pequena através do dispositivo e impedea turbulência. De acordo com uma modalidade preferida dainvenção, o controlador de fluxo é associado a um medidorde fluxo (não mostrado), e fluxo elevado gerado pelocontrolador de fluxo é projetado para estar dentro da faixade medição ótima do medidor de fluxo.

Nesse estágio, uma quantidade de fluxo suficientepara substituir aquela retirada a jusante fluiu através dapassagem de fluxo, e a pressão Pc sobe, de modo que odiferencial de pressão atuando sobre o elemento deslocáveldiminui, até que Ps outra vez mais se iguala a Pc. Agoranão há substancialmente diferencial de pressão atuandosobre o elemento deslocável na direção de saída, e o campomagnético começa a atuar sobre o eletroímã, puxando oelemento deslocável de volta em direção à entrada defluido. Quando ele se aproxima da entrada de fluido, aforça magnética atuando sobre o elemento deslocável aumentacontinuamente, fazendo com que o elemento deslocávelacelere em direção à entrada. Além disso, o elemento deretorno 38, se presente, agora atua sobre o elementodeslocável 30, empurrando-o de volta na direção do elementodetentor 18. Na modalidade ilustrada, a mola 38 empurra oelemento deslocável 3 0 em direção ao elemento detentor 18.

Quando o elemento deslocável 3 0 se desloca em direção aoelemento detentor 18, a força do campo magnético atuandosobre o elemento deslocável aumenta, enquanto que odiferencial de pressão permanece pequeno. Desse modo, oelemento deslocável 3 0 acelera a partir de uma orientaçãocompletamente aberta para uma orientação vedada e entãofechada, até que o diferencial de pressão se desenvolvaoutra vez, conforme descrito acima. Isso impede quequantidades substanciais de fluido fluam não detectadasatravés da passagem de fluxo 12.

É uma característica específica da presenteinvenção que as forças atuando sobre o elemento deslocávelfazem com que o elemento deslocável seja aceleradoprimeiramente na direção que abre a passagem de fluxo, eentão na direção que fecha a passagem de fluxo, desse modopermitindo a passagem de fluido através do controlador defluxo em pulsos de valores de fluxo dentro da faixamensurável de um medidor.

De acordo com uma modalidade preferida dainvenção, o movimento do elemento deslocável 3 0 a partir doelemento detentor 18 e para ele sob condições de vazamentoé caracterizado por movimento de histerese. Uma ilustraçãoesquemática de um exemplo de tal curva de histerese émostrada na Figura 6. 0 ponto 4 0 corresponde à Figura 2,onde o elemento deslocável é assentado contra o elementodetentor e o controlador de fluxo é fechado e vedado. Nessaposição, não existe diferencial de pressão através daentrada, de modo que a soma das forças atuando sobre oelemento deslocável é substancialmente zero, e o elementodeslocável 30 não se move. A soma das forças atuando sobreo elemento deslocável pode ser descrita substancialmentepela equação

<formula>formula see original document page 23</formula>

onde Fs é a força do elemento detentor 18 atuando sobre oelemento deslocável, Fmag é a força magnética, Fk é a forçado elemento de retorno, ΔΡ é igual a Ps-Pc, e A é a área doelemento deslocável sobre o qual atua a pressão.

Quando existe um vazamento a jusante do controladorde fluxo, o diferencial de pressão (Fraag) começa a aumentarlentamente, porém o elemento deslocável ainda é incapaz dese mover uma vez que a força do campo magnético e a forçade retorno permanecem constantes, enquanto a força doelemento detentor 18 diminui em uma quantidadecorrespondente. Quando o diferencial de pressão, acrescidode quaisquer outras forças atuando para abrir a passagem defluxo, atinge um valor superior à força do eletroímã e doelemento de retorno para fechar a passagem de fluxo, oelemento deslocável começa a se mover. É uma característicaespecífica da invenção que, quando o elemento deslocávelcomeça a se mover, a força magnética diminui enquanto que odiferencial de pressão aumenta, o elemento deslocávelacelera em direção à saída, como indicado pela seta 44 nacurva. O elemento deslocável continua a acelerar, enquantomantendo a vedação, até que a distância X a partir doelemento detentor 18 seja igual a Lh, onde Lh é a distânciaque o elemento deslocável se desloca antes de acabar com avedação da passagem de fluxo. Lh é o parâmetrosignificativo na criação do efeito de histerese, e é umresultado dos formatos complementares do elementodeslocável e a passagem de fluxo ou elemento de vedação. Éimportante que o parâmetro Lh seja suficientemente amplopara impedir um estado de equilíbrio do elemento deslocávelna orientação aberta sob condições de vazamento, e paraprevenir oscilação (rápida abertura e fechamento docontrolador de fluxo).

Após Lh, o diferencial de pressão cai gradualmente, ea força principal atuando sobre o elemento deslocável setorna a força magnética, que diminui a velocidade domovimento do elemento deslocável em direção à saída defluido, conforme mostrado pela curva com seta de referência46, até que o elemento deslocável pára em Xmax/ odeslocamento máximo do elemento deslocável a partir doelemento detentor, no ponto 48. Nesse ponto, na modalidadeilustrada, o elemento deslocável atinge o elemento detentor26, e não pode se mover para mais além. Nesse estágio, aforça crescente Fmag do campo magnético, em conjunto com oreforço recebido a partir do elemento de retorno, provê umaumento escalonado da força atuando sobre o elementodeslocável, e inverte a direção do movimento do elementodeslocável. Como mostrado no numerai de referência 50, oelemento deslocável agora acelera de volta em direção aoelemento detentor 18, conforme mostrado na seta 52 nacurva. Quando o elemento deslocável atinge o elementodetentor 18, a soma das forças atuando sobre o elementodeslocável cai, em uma queda escalonada, até o valororiginal, indicado pela seta 54 na curva. Será consideradoque, quando existe um fluxo de água normal através dodispositivo, ele permanece aberto de modo a não impedir ofluxo. Contudo, durante fluxos lentos, os quais normalmentenão seriam medidos por um medidor, o dispositivo descritoacima permite que o fluxo flutue de 0 a Qt substancialmentena forma de pulsos, e proporciona medição de fluxorelativamente lento mediante medidores convencionaisdurante uma porção do pulso na faixa de Qt.

Uma ilustração gráfica esquemática do fluxo atravésda passagem de fluido com o passar do tempo produzido poruma modalidade da invenção, é mostrada na Figura 7. 0 valordo fluxo que pode ser medido com erro mínimo pelo medidor éQt. Como se pode ver, Qieak é muito pequeno para ser medidonessa faixa. O controlador de fluxo da presente invençãointegra o pouco fluxo (Qieak) e transforma o mesmo em pulsos60 de fluxo de fluido na faixa de Qt7 de modo que os pulsospodem ser medidos dentro da faixa ótima de erro pelomedidor de fluxo. Rápido aumento 62 do fluxo é um resultadoda abertura rápida e ampla da passagem de fluxo de fluido(representada pela seta 4 6 na Figura 6), enquanto que quedarelativamente acentuada 64 do pulso 60 é um resultado dorápido fechamento da entrada (representado pela curva 50entre Xmax e Lh) . A extensão da porção de diâmetro constante32 do elemento deslocável 3 0 e/ou do elemento de vedação 22determina a largura 66 do pulso em Qt.

Preferivelmente o dispositivo da presente invenção édimensionado de tal modo que ele pode ser montado em linhasde fornecimento existentes sem corte dos tubos de fluxo defluido. As Figuras, 8 e 9, são ilustrações de duasmodalidades de controladores de fluxo da presente invençãomontados em uma linha de hidrômetro. Conforme pode servisto, os flanges de montagem 70 podem ser providos emqualquer extremidade do controlador de fluxo magnético,para permitir a montagem do controlador de fluxo em umaposição adequada para operação. Na modalidade da Figura 8,o controlador de fluxo 72 tem flanges de montagemadjacentes ã saída de fluido do controlador de fluxo. Essamodalidade é adequada para medidores tendo um tubo de saídano qual o controlador de fluxo pode se encaixar.

Alternativamente, como mostrado na Figura 9, os flanges demontagem 70 podem ser providos adjacentes à entrada defluido de um controlador de fluxo 74. Desse modo, ocontrolador de fluxo pode ser montado de forma sólida porintermédio do registro, mais propriamente do que nomedidor.

Embora a invenção tenha sido descrita com relação aum número limitado de modalidades, será considerado quemuitas variações, modificações e outras aplicações dainvenção podem ser feitas. Será adicionalmente consideradoque a invenção não é limitada ao que foi descrito acimasimplesmente como exemplo. Mais propriamente, a invenção élimitada apenas pelas reivindicações a seguir.

Claims (18)

1. Controlador de fluxo magnético caracterizado porcompreender:uma passagem de fluxo de fluido tendo uma entrada euma saída;um elemento detentor montado através da entrada; eum elemento deslocável disposto na passagemadjacente ao elemento detentor,em que pelo menos um do elemento detentor e oelemento deslocável inclui um eletroímã, e o outro doelemento detentor e elemento deslocável inclui uma porçãoferromagnética, de modo a criar uma força magnética,atuando sobre o elemento deslocável, suficiente para fazercom que o elemento deslocável engate o elemento detentor demodo a fechar e vedar a passagem de fluxo;o elemento deslocável e a passagem de fluxo sendoconfigurados e adaptados para manter engate de vedação poruma distância enquanto o elemento deslocável é impelidoatravés da passagem de fluxo em direção à saída por umaforça criada por um diferencial de pressão entre umapressão na entrada e uma pressão na saída, a distânciasendo suficiente para permitir que o elemento deslocávelacelere até uma velocidade desejada antes do elementodeslocável liberar o engate de vedação para tirar a vedaçãoda passagem de fluxo.

2. Controlador de fluxo magnético caracterizado porcompreender:um corpo definindo uma passagem de fluxo de fluidoentre uma entrada de fluido e uma saída de fluido;um elemento detentor ferromagnético montado naentrada de fluido;um elemento de vedação anular montado no corpo, oelemento de vedação tendo paredes internas tendo uma porçãode diâmetro constante;um elemento detentor de saída disposto próximo àsaída de fluido;um elemento deslocável, incluindo um eletroímãcircundado por um ferromagneto, disposto na passagem defluxo e arranjado para se deslocar ao longo das paredesinternas do corpo;o elemento deslocável e as paredes internas doelemento de vedação sendo configurados para prover umavedação de fluido enquanto o elemento deslocável se deslocaem relação ao elemento de vedação por uma distânciaselecionada, de modo a desenvolver velocidade de movimentodo elemento deslocável pelo que, quando a vedação de fluidoé removida, o elemento deslocável acelera afastando-se doelemento de vedação para prover uma abertura que permiteuma corrente de fluido de fluxo suficiente para causar umaqueda súbita no diferencial de pressão através da passagemde fluxo, e permitir um fluxo de fluido de volumemensurável através da passagem de fluxo.

3. Controlador de fluxo magnético caracterizado porcompreender:um corpo definindo uma passagem de fluxo entre umaentrada de fluido e uma saída de fluido;um elemento detentor ferromagnético montado naentrada de fluido;um elemento detentor de saída disposto próximo àsaída de fluido;um elemento deslocável, incluindo um eletroimãcircundado por um ferromagneto, e pelo menos uma porção domesmo é circundada por um material de vedação, disposto napassagem de fluxo e arranjado para se deslocar ao longo dasparedes internos do corpo;o elemento deslocável e as paredes internas do corposendo configurados para prover uma vedação de fluidoenquanto o elemento deslocável se move em relação ao corpopor uma distância selecionada, de modo a desenvolvervelocidade de movimento do elemento deslocável pelo que,quando a vedação de fluido é movida, o elemento deslocávelacelera se afastando do elemento de vedação para prover umaabertura que permite uma corrente de fluido de fluxosuficiente para causar uma queda súbita no diferencial depressão através da passagem de fluxo, e permitir um fluxode fluido de volume mensurável através da passagem defluxo.

4. Controlador de fluxo, de acordo com asreivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato da passagemde fluxo incluir um elemento de vedação adaptado econfigurado para engatar vedadamente o elemento deslocável,e em que o elemento de vedação inclui uma porção alongadade diâmetro substancialmente constante permitindo movimentodo elemento deslocável ao longo da passagem de fluxo poruma distância enquanto mantendo o engate de vedação.

5. Controlador de fluxo, de acordo com qualquer umadas reivindicações 1, 2, 3 ou 4, caracterizado pelo fato deque o elemento deslocável tem um formato hidrodinâmico, einclui uma porção alongada de diâmetro substancialmenteconstante permitindo movimento ao longo da passagem defluxo por uma distância enquanto mantendo o engate devedação.

6. Controlador de fluxo, de acordo com qualquer umadas reivindicações 1, 2, 3, 4 ou 5, caracterizado pelo fatodo elemento detentor compreender ainda um parafuso deajuste acoplado ao eletroimã e disposto de forma deslocávelem um alojamento para determinar o ponto de engate doelemento deslocável e o elemento detentor.

7. Controlador de fluxo, de acordo com areivindicação 6, caracterizado pelo fato do alojamentocompreender extremidades, superior e inferior, abertas,paredes laterais, uma tampa para vedar a extremidadesuperior aberta do alojamento, e do parafuso de ajustecompreender roscas de parafuso anulares para ser deslocadoao longo de um eixo vertical em ambas as direções dentro doalojamento por intermédio de roscas de parafuso anularescomplementares nas paredes laterais.

8. Controlador de fluxo, de acordo com asreivindicações 6 ou 7, caracterizado pelo fato do parafusode ajuste ser formado de material ferromagnético não-corrosivo e do alojamento ser formado de material não-corrosivo e ser substancialmente vedado.

9. Controlador de fluxo, de acordo com qualquer umadas reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 ou 8, caracterizadopor compreender ainda um elemento de retorno adaptado econfigurado para impelir o elemento deslocável pararetornar em direção ao elemento detentor.

10. Controlador de fluxo, de acordo com qualquer umadas reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 ou 9,caracterizado por compreender ainda um elemento de retornoadaptado e configurado para impelir o elemento deslocável aretornar em direção ao elemento detentor.

11. Controlador de fluxo, de acordo com areivindicação 10, caracterizado pelo fato do elemento deretorno incluir um eletroímã.

12. Controlador de fluxo, de acordo com qualquer umadas reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 ou 11,caracterizado pelo fato do movimento do elemento deslocávelno controlador de fluxo sob condições de vazamento ter comocaracterística movimento de histerese.

13. Controlador de fluxo, de acordo com qualquer umadas reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 ou 12,caracterizado por compreender ainda um sensor arranjadopara detectar o movimento do elemento deslocável e proveruma saída correspondendo ao movimento detectado.

14. Método para controlar o fluxo de fluido paramedição de um pequeno fluxo de fluido caracterizado porcompreender:prover um corpo tendo uma entrada de fluido e umasaída de fluido definindo uma passagem de fluxo de fluido;montar um elemento detentor na entrada;montar um elemento deslocável na passagem de fluxode fluido;em que pelo menos um do elemento detentor e oelemento deslocável inclui um eletroímã, e o outro entre oelemento detentor e o elemento deslocável inclui uma porçãoferromagnética, de modo a criar uma atração magnética entreeles ;o elemento deslocável sendo adaptado e configuradode tal modo que, sob um fluxo de fluido pequeno suficientepara criar uma pressão diferencial entre a entrada e asaída, o elemento deslocável acelera através da passagem defluxo, em engate de vedação com a passagem, por umadistância pré-selecionada em direção à saída, de modo aabrir o engate de vedação suficientemente para permitir queum volume de fluxo mensurável passa através da passagem emdireção à saída; eretornar o elemento deslocável para a entrada quandoa atração magnética for maior do que o diferencial depressão.

15. Método, de acordo com a reivindicação 14,caracterizado por compreender ainda:prover um elemento de retorno próximo à saída paraimpelir o elemento deslocável em direção à entrada.

16. Método, de acordo com as reivindicações 14 ou-15, caracterizado por compreender ainda:prover um parafuso ajustável acoplado ao eletroímãrio elemento superior para determinar o ponto de engate doelemento deslocável e o elemento detentor.

17. Método, de acordo com as reivindicações 14, 15ou 16, caracterizado por compreender ainda:montar o parafuso ajustável e o eletroímã em umalojamento no elemento detentor.

18. Método, de acordo com as reivindicações 14, 15,-16 ou 17, caracterizado por compreender ainda:detectar o movimento do elemento deslocável; eprover um sinal de saída correspondendo ao elementodetectável.