Campo da Invenção

[0001] A presente invenção refere-se a um sistema e método de detecção de fluxo em válvulas, principalmente válvulas reguladoras de pressão, mas não limitadas a este tipo, que através da utilização de um dispositivo não intrusivo que detecta quando há fluxo dentro da válvula a partir da movimentação de uma mola por meio de um potenciômetro linear.

[0002] O referido dispositivo pode ser facilmente instalado às válvulas de maneira externa ao caminho do fluido, podendo ser adaptado a válvulas já em operação.

Fundamentos da Invenção

[0003] No Brasil, onde a maioria das residências não possuem gás encanado, a utilização de botijões de gás de cozinha se tornou produto de primeira necessidade na vida das pessoas, que os utiliza como fonte de energia primária no dia a dia.

[0004] Tal popularização no uso de gás engarrafado em um recipiente armazenador de fluido sob pressão, ou comumente chamado botijão, se deu por consequência direta do desastre do dirigível Hindenburg (também conhecido como Zeppelin), que pegou fogo quando se preparava para descer em New Jersey, nos Estados Unidos, em 1937. Com falta de confiança neste tipo de transporte, o propano estocado em uma base de dirigíveis no Rio de Janeiro acabou se tornando dispensável. Desta maneira, o imigrante austríaco Ernesto Igel criou a Empresa Brasileira de Gás a Domicílio Ltda. para aproveitar este excedente de gás e vende-lo de forma engarrafada.

[0005] O gás de cozinha utilizado hoje no Brasil é do tipo gás liquefeito de petróleo (ou GLP). Este derivado do petróleo é definido como a mistura formada majoritariamente por moléculas de hidrocarbonetos contendo de três a quatro átomos de carbono que, embora gasoso na condição normal de temperatura e pressão (mais conhecido como CNTP), podem ser liquefeitos por resfriamento ou compressão.

[0006] Desta maneira, o gás GLP é comumente armazenado e comercializado em recipientes armazenadores de fluidos sob pressão, tais vasilhames chamados comumente de botijões, por serem facilmente transformados em líquidos sob pressão. Os botijões possuem desta forma pressão interna de 6 a 8 vezes maior que a atmosférica.

[0007] A composição média do gás GLP é de 31 ,76% de butenos, 30,47% de propeno, 23,33% de butanos, 14,34% de propano, 0,3% de etano e 0,07% de pentanos, existindo variações nesta composição dependendo da fonte de suprimento. Esta mistura gasosa tem quase o dobro da densidade do ar, onde o butano sozinho é quase três vezes mais denso, de modo que se houver um vazamento, a tendência é que o gás se acumule próximo ao chão. Isso o torna especialmente perigoso se não for percebido, pois o butano expulsa o ar respirável daquela região e levando à asfixia - além de explosão caso alguma fonte de ignição seja acionada. Assim o marcador olfativo mais utilizado é o etanotiol, com a finalidade de atribuir cheiro e não afetar as propriedades do gás, já que o olfato humano é capaz de perceber uma parte em outras 2,8 bilhões de partes de ar.

[0008] Além de ser de fácil transporte por suas características de liquefação em alta pressão, o gás GLP possui um alto poder calorífico, excelente qualidade de queima e principalmente baixo impacto ambiental por sua baixa emissão de poluentes. Comparando o CO2 liberado durante a queima do carvão ou de outro combustível fóssil que gere resíduos com a do GLP, existe um nível bem menor de emissão, além de que seu poder calorífico é superior - com menos gás é possível obter a mesma quantidade de calor, auxiliando na preservação ambiental pois 0 CO2 é um dos gases causadores do efeito estufa e do aquecimento global.

[0009] O uso do gás GLP na queima no fogão depende da evaporação do líquido pressurizado. Desta maneira, é necessário um volume “vazio” dentro do recipiente armazenador, que na verdade existe vapores em equilíbrio com 0 líquido, que permite a expansão do gás (comumente chamado de volume morto). Os botijões são cheios até 85% de sua capacidade, reservando os 15% para esta expansão. A coexistência do GLP em forma líquida e gasosa dentro do interior do botijão é possível graças a pressão de vapor saturado (pvs), que varia dependendo da composição do gás e da temperatura, de acordo com a equação de Clausius- Clapeyron (que é utilizada para caracterizar uma transição de fase descontínua entre duas fases de matéria de um único constituinte).

[0010] A pressão dentro de botijões de gás GLP normalmente pode variar entre 4 kgf/cm ² a 7 kgf/cm ² (ou 392 kPa a 686 kPa em unidades SI), mas podendo chegar a valores acima de 10 kgf/cm ² dependendo da mistura obtida na extração do GLP, não dependendo do tamanho ou capacidade do recipiente armazenador. Para utilização em fogões, a pressão deve ser estável para que se tenha uma queima mais uniforme e segura, com uma chama de menor alcance.

[0011] Assim é comum a utilização de válvulas reguladoras de pressão na linha entre o recipiente armazenador e o fogão, que estabilizem a saída de pressão para no máximo de 5 kgf/cm ² . A norma brasileira NBR8473 divide a pressão de fechamento em três categorias: classe 1 para 3,8kPa (0,0387 kgf/cm ² ), classe 2 para 4,4 kPa (0,0448 kgf/cm ² ) e classe 3 para 5 (0,0509 kgf/cm ² ).

[0012] A função primária das válvulas reguladoras de pressão é combinar o fluxo de fluido que por ela passa com a demanda fluido disponibilizado, ou seja, são válvulas que abre e fecham para manter uma pressão de saída constante. Se o fluxo de carga diminui, o fluxo do regulador também deve diminuir - se o fluxo de carga aumentar, então o fluxo do regulador deve aumentar para evitar que a pressão controlada diminua devido a uma falta de gás no sistema de pressão. Um regulador de pressão inclui um elemento de restrição (uma válvula capaz de fornecer uma restrição variável de fluxo) e um elemento de carga (que pode aplicar a força necessária ao elemento de restrição como uma mola, atuador de pistão ou atuador de diafragma em combinação com uma mola).

[0013] O mais comumente utilizado em válvulas reguladoras de pressão são atuadores mola, onde a regulagem da mola que que exerce uma pressão em um diafragma e um obturador, mantendo uma pressão de saída estável e menor que a pressão de entrada. Quando a pressão de saída diminui em relação ao valor especificado para a mola, é acionado um embolo que atua no obturador ligando a comunicação com a pressão de entrada. Quando a pressão de saída aumenta, com relação especificado da mola, a membrana atua pressionando a mola fazendo com que o embolo (e consequentemente o obturador) feche a comunicação até que a pressão de saída diminua.

[0014] Assim, em válvulas reguladoras de pressão, é possível identificar o fluxo de fluido em válvulas reguladoras de pressão a partir da abertura de seu obturador, seja direta ou indiretamente. Tal aferição ajuda a identificar quantidade consumida em sistemas a gás, onde em sistemas GLP que utilizam recipientes armazenadores (ou botijões) podem ser aferidos a quantidade restante e consequentemente sendo possível indicar sua troca.

[0015] O documento patentário US3846774 descreve um sistema de monitor de fluxo e de pressão diferencial que monitora por meio de um transdutor indutivo, a abertura de um canal interno de uma válvula através da movimentação de uma porção de metal associada à membrana. Quando o canal se encontra pressionado a ficar fechado, o transdutor indutivo não realiza leitura e não gera nenhum sinal. Da mesma maneira quando há abertura do canal, a porção de metal se movimenta em conjunto com a mola, proporcionando que o transdutor indutivo realize a leitura e gerando um sinal indicando que há fluxo. Tal solução necessita de uma parte adicional que é a porção de metal, pela qual o transdutor indutivo realiza “leitura” de deslocamento e afere a abertura da válvula e consequentemente seu fluxo, desta maneira sendo uma solução intrusiva e indireta, sendo mais complexa na construção da válvula, uma vez que é necessário mudança dentro da sua fabricação. Além disso, para fins de processamento digital de sinais, o processamento de sinais vindos de transdutores é mais difícil de ser tratado por serem altamente ruidosos, gerando maior consumo de bateria em sistemas isolados (ou “stand alone”).

[0016] Já o documento patentário DE10156929 revela um medidor de vazão de gás que realiza através da leitura do deslocamento de um dispositivo de fechamento ao seu assento no obturador de uma válvula, realizando-a através de um transdutor e um computador, que calcula a vazão volumétrica do gás através deste deslocamento relativo. Tal solução necessita que a aferição do deslocamento relativo tenha uma calibração juntamente com o transdutor, que deve possuir uma confiabilidade e acuidade alta, aumentando a dificuldade técnica para o uso em grande escala e consequentemente aumentando os custos para sua produção utilização. Nesta solução o processamento de sinais também é difícil de ser tratado, uma vez que sinais vindos de transdutores são altamente ruidosos, gerando maior consumo de bateria em sistemas isolados (ou “stand alone”).

[0017] Com base neste cenário, visando mitigar as limitações técnicas observadas nos documentos patentários, surge a presente invenção.

Objetivos da Invenção

[0018] Assim, a presente invenção tem por objetivo principal revelar um sistema e método de detecção de fluxo em válvulas, principalmente válvulas redutoras de pressão, mas não limitadas a este tipo, que através da utilização de um dispositivo não intrusivo detecta quando há fluxo dentro da válvula.

[0019] Adicionalmente, é objetivo da presente invenção prover um sistema e método de detecção de fluxo em válvulas que, a partir aferição direta da movimentação de uma mola, detecta o fluxo na válvula.

[0020] Ainda, a presente invenção tem por objetivo revelar sistema que seja facilmente instalado externamente à válvula, e consequentemente podendo ser utilizado na adaptação de válvulas já existentes.

[0021] Ademais, é objetivo da presente invenção apresentar um método de detecção de fluxo em válvulas que, de maneira robusta e de fácil processamento, detecta o fluxo a partir de aferição direta de movimentação em uma mola de válvula. Sumário da Invenção

[0022] Todos os objetivos acima mencionados são alcançados por meio do sistema de detecção de fluxo em válvula compreendido por: pelo menos um corpo, pelo menos um elemento mola, pelo menos uma membrana e pelo menos um obturador, que compreende ainda um potenciômetro linear associado ao elemento mola e a pelo menos uma unidade de processamento.

[0023] De acordo com as premissas fundamentais da invenção em questão, o sistema de detecção de fluxo em válvula compreende ainda o fato de que o potenciômetro linear é associado ao elemento mola por meio de uma haste acomodada entre a base do elemento mola e a tampa, aferindo a movimentação do elemento mola em função da passagem do fluido.

[0024] Adicionalmente, é provido um sistema de detecção de fluxo em válvula compreendido pelo fato de que é associado à unidade de processamento uma unidade de comunicação.

[0025] Ademais, na presente invenção é proposto um sistema que compreende o fato de que é associado à unidade de processamento uma unidade de aferição de temperatura.

[0026] Ainda, de acordo com a presente invenção, o sistema de detecção de fluxo em válvula compreende o fato de que é associado à unidade de processamento uma unidade de aferição de pressão.

[0027] Adicionalmente é apresentado na invenção um método de detecção de fluxo em válvula, compreendido por executar em um sistema de detecção de fluxo em válvula, com as etapas de: obter pelo menos um primeiro sinal elétrico dê pelo menos um potenciômetro linear por meio de pelo menos uma unidade de processamento, processar os sinais obtidos por meio de uma unidade de processamento, correlacionar com padrões de movimentação de um elemento mola de válvula para abertura de um obturador por meio de uma unidade de processamento e identificar o fluxo de fluido pela válvula.

[0028] Também, de acordo com a presente invenção o método de detecção de fluxo em válvula, compreende o fato de que existe uma etapa de identificar a vazão volumétrica por meio do fluxo de fluido identificado pela passagem do fluido na válvula.

[0029] Adicionalmente o método de detecção de fluxo em válvula compreende o fato de que na etapa de correlacionar com valores padrões de abertura por meio de uma unidade de processamento, a correlação é realizada de maneira externa através de uma unidade de comunicação utilizando uma unidade de processamento externa. [0030] Ademais, o método da presente invenção compreende o fato de que existe uma etapa adicional de correlacionar a identificação de fluxo de fluido pela válvula com a aferição de temperatura realizada por meio de uma unidade de aferição de temperatura através de uma unidade de processamento.

[0031] Por fim, a presente invenção apresenta um método de detecção de fluxo em válvula que compreende o fato de que existe uma etapa adicional de correlacionar a identificação de fluxo de fluido pela válvula com a aferição de pressão realizada por meio de uma unidade de aferição de temperatura através de uma unidade de processamento.

Breve Descrição das Figuras

[0032] A concretização preferencial da invenção em questão é detalhadamente descrita com base nas figuras listadas, as quais:

[0033] A figura 1 ilustra uma válvula redutora de pressão utilizando um sistema de detecção de fluido em válvula.

[0034] A figura 2 ilustra, em perspectiva, um potenciômetro linear deslizante.

[0035] A figura 3 ilustra, em perspectiva, uma válvula redutora de pressão utilizando um sistema de detecção de fluido em válvula.

[0036] A figura 4 ilustra o comportamento do potenciômetro linear em função do tempo.

Descrição Detalhada da Invenção

[0037] De acordo com os objetivos gerais da invenção em questão sistema de detecção de fluxo em válvula compreendido por: pelo menos um corpo 1 , pelo menos um elemento mola 2, pelo menos uma membrana 3 e pelo menos um obturador 10, e também o fato de compreender um potenciômetro linear 5 associado ao elemento mola 2 e a pelo menos uma unidade de processamento 6.

[0038] Assim em válvulas, como por exemplo as válvulas reguladoras de pressão comumente utilizadas nos lares brasileiros para uso de botijões de gás e fogões, formadas por um corpo 1 (geralmente um corpo metálico mas não limitado a este tipo de material), que possuem como atuadores um elemento mola 2, onde sua regulagem exerce uma pressão em um obturador 10 e em conjunto com uma membrana 3 (ou diafragma), mantendo uma pressão de saída estável e menor que a pressão de entrada. Através de um potenciômetro linear 5 associado mecanicamente ao elemento mola, que atua para regular a pressão de saída da válvula, fazendo com que a movimentação modifique o valor nominal de resistência do potenciômetro linear 5, modificando assim a leitura de resistência realizada pela unidade de processamento 6.

[0039] Ainda, no sistema de detecção de fluxo em válvula, compreende o fato de que o potenciômetro linear 5 é associado ao elemento mola 2 por meio de uma haste 5.1 acomodada entre a base do elemento mola 2 e a tampa 4, aferindo a movimentação do elemento mola 2 em função da passagem do fluido. A haste é responsável por associar mecanicamente o elemento mola 2, realizando a movimentação do potenciômetro linear 5 em conjunto com a movimentação do elemento mola 2 em decorrência do fluxo de fluido pela válvula. Alternativamente, em uma construção da haste 5.1 , ela pode ser acomodada na parte inferior do lemento mola 2 e a membrana 3.

[0040] A figura 1 ilustra uma válvula reguladora de pressão associada a um sistema de detecção de fluido em válvula por meio do corpo metálico 1 e um encapsulamento 10. Nela vemos o fluxo do fluido da direita (alta pressão) para a esquerda (baixa pressão contínua), passando pelo obturador 10 por ação do atuador elemento mola 2, que permanece isolado a partir de uma membrana 3 que se movimenta em conjunto com o elemento mola 2. Entre a base do elemento mola 2 e a tampa 4 se encontra a haste 5.1 que é responsável por transferir mecanicamente a movimentação do elemento mola 2 ao potenciômetro linear 5, que é “lido” e monitorado mor uma unidade de processamento 6. Ainda na figura 1 está ilustrado junto ao corpo da válvula um dispositivo de abertura e fechamento de fluxo 11 , além dos acessórios do sistema de detecção de fluido em válvula, como a unidade de comunicação 8, e elementos de aumento de precisão como a unidade de aferição de temperatura 7 e a unidade de aferição de pressão 9 (que realiza a leitura de pressão diretamente da entrada da válvula, sendo saída do recipiente armazenador ou botijão). [0041] As figuras 2 e 3 apresentadas, ilustram em perspectiva, o potenciômetro linear 5 (do tipo deslizante) e a válvula reguladora de pressão associada ao sistema de detecção de fluido em válvula respectivamente. O potenciômetro linear 5 varia sua resistência elétrica em função do deslocamento do seu pino seletor. Na figura 3 ilustra em perspectiva o encapsulamento 10 (de maneira transparente) associada à válvula, o dispositivo de abertura e fechamento de fluxo 11 , e o potenciômetro linear 5 juntamente com a haste 5.1 responsável por movimentar (deslizar) o seletor do mesmo, juntamente com a tampa 4 que isola o elemento mola 2 e a membrana 3 na parte interna da válvula.

[0042] Adicionalmente, o sistema de detecção de fluxo em válvula compreende ainda o fato de que é associado à unidade de processamento 6 pelo menos uma unidade de comunicação 8. Desta maneira a unidade de processamento 6 consegue transmitir informações referentes a leitura de resistência do potenciômetro linear 5, seja de forma de sinal processado digital “cru”, seja a informação de fluxo passante pela válvula identificado. A transmissão do sinal processado “cru” permitiria que a identificação do fluxo passante seja processada externamente, em um dispositivo externo ou “na nuvem” na rede mundial de computadores, reduzindo consumo de bateria no ato de correlacionar com valores padrões de movimentação de um elemento mola 2 de válvula para identificar o fluxo passante pela válvula. A transmissão da informação de fluxo passante pela válvula identificado permitiria um programa ou supervisório externo, seja na nuvem ou por meio de dispositivo móvel ou fixo, permitiria o aviso para um usuário de quando está sendo consumido e quanto há disponível no caso de um fluido armazenado em recipiente (como em um botijão GLP). A unidade de comunicação 8 pode ser um dispositivo de transmissão com diferentes tipos de protocolo e meios (sem fio como wifi, bluetooth, LoRa, 4G; com fio como CAN bus, ISO bus, entre outros), ou combinações de unidades de comunicação 8 com diferentes tipos protocolos, ou de unidades de comunicação 8 com protocolos de comunicação e de georreferenciamento (GPS) para identificação de posição.

[0043] Ademais é apresentado um sistema de detecção de fluxo em válvula que compreende ainda o fato de que é associado à unidade de processamento 6 pelo menos uma unidade de aferição de temperatura 7. A aferição de temperatura do sistema garante uma melhor acuracidade no sistema de detecção de fluxo em válvula, onde queda de temperatura garantiria que há fluxo na válvula. Uma segunda unidade de aferição de temperatura 7 para leitura de temperatura ambiente garantiria a leitura relativa de queda de temperatura e consequentemente que há fluxo na válvula. Adicionalmente, a leitura de temperatura proporciona o cálculo de massa do fluxo para o sistema, que seria calculada por uma unidade de processamento 6.

[0044] Também, o sistema de detecção de fluxo em válvula é compreendido pelo fato de que é associado à unidade de processamento 6 uma unidade de aferição de pressão 9. A aferição de pressão garante uma melhor acuracidade no sistema de detecção de fluxo em válvula, onde a tendencia de estabilidade de pressão de um recipiente armazenador (ou botijão) de acordo com o equilíbrio liquido-gás indica que não há fluxo, e variações de pressão e instabilidade indicam que há fluxo na válvula, assim ajudando a correlacionar com as leituras relacionadas ao potenciômetro linear 5. A figura 1 representa a unidade de aferição de pressão 9 realizando a aferição diretamente da entrada da válvula (sendo saída do recipiente armazenador ou botijão), por ser o local de maior garantia de leitura, porém outros posicionamentos na linha de curso do fluido teriam o mesmo efeito na acuidade do sistema.

[0045] Ainda é proposto um método de detecção de fluxo em válvula, compreendido por executar em um sistema de detecção de fluxo em válvula. O método compreende as etapas de: obter pelo menos um primeiro sinal elétrico dê pelo menos um potenciômetro linear 5 por meio de pelo menos uma unidade de processamento 6, processar os sinais obtidos por meio de uma unidade de processamento 6, correlacionar com valores padrões de movimentação de um elemento mola 2 de válvula para abertura de um obturador 10 por meio de uma unidade de processamento 6 e identificar o fluxo de fluido pela válvula.

[0046] Ao obter pelo menos um primeiro sinal elétrico dê pelo menos um potenciômetro linear 5 por meio de pelo menos uma unidade de processamento 6, a unidade de processamento 6 realiza a “leitura” elétrica do potenciômetro linear 5, que varia sua resistência em decorrência da movimentação do seu pino seletor em função do elemento mola 2, utilizando um circuito elétrico. Então, na etapa seguinte, a unidade de processamento 6 processa os sinais obtidos os transformando em sinais digitais a serem tratados. A figura 4 ilustra a movimentação do pino seletor do potenciômetro linear 5 em função da corrente elétrica (dependente da resistência elétrica variável pela atuação do elemento mola 2) pelo tempo.

[0047] Assim, na terceira etapa, a unidade de processamento 6 é responsável por correlacionar com valores padrões de movimentação de um elemento mola 2 de válvula para abertura de um obturador 10, calibrados previamente e armazenados em memória (seja interna ou externa ao dispositivo, acessadas por uma unidade de comunicação 8) com os sinais processados na etapa anterior. Desta maneira, a unidade de processamento 6 consegue realizar digitalmente (seja por meio de métodos matemáticos, de aprendizado de máquina ou de tratamentos digitais) se há um comportamento recorrente, de acordo com as variações de estado, e assim identificar se há fluxo de fluido pela válvula.

[0048] Ademais, no método de detecção de fluxo em válvula proposto, é compreendido o fato de que existe uma quinta etapa de identificar a vazão volumétrica por meio do fluxo de fluido identificado pela passagem do fluido na válvula. Assim, por meio de métodos matemáticos, de aprendizado de máquina ou de tratamentos digitais, o método consegue por padrões pré-estudados identificar a vazão volumétrica da válvula quando há passagem de fluido.

[0049] Ainda, no método proposto, na etapa de correlacionar com valores padrões de abertura por meio de uma unidade de processamento 6, a correlação é realizada de maneira externa através da utilização de uma unidade de comunicação 8 por meio uma unidade de processamento 6 externa. Assim, a unidade de comunicação 8 transmite o sinal digital processado na etapa anterior pela unidade de processamento 6 interno, para que uma unidade de processamento 6 externa, onde a correlação é realizada com sinais calibrados previamente e armazenados em memória acessível externa. Desta maneira a unidade de processamento 6 externa, em um dispositivo externo ou na “nuvem” (em uma rede de computadores ou rede mundial), consegue realizar digitalmente (seja por meio de métodos matemáticos, de aprendizado de máquina ou de tratamentos digitais) se há um comportamento recorrente, de acordo com as variações de estado, e assim identificar se há fluxo de fluido pela válvula. A utilização de uma unidade de processamento 6 externa proporciona uma economia de bateria para o dispositivo, sendo menos exigido no processamento local. A unidade de comunicação 8 pode ser um dispositivo de transmissão com diferentes tipos de protocolo e meios (sem fio como wifi, bluetooth, LoRa, 4G; com fio como CAN bus, ISO bus, entre outros), ou combinações de unidades de comunicação 8 com diferentes tipos protocolos.

[0050] Também, no método de detecção de fluxo em válvula, existe uma etapa adicional de correlacionar a identificação de fluxo de fluido pela válvula com a aferição de temperatura realizada por meio de pelo menos uma unidade de aferição de temperatura 7 através de uma unidade de processamento 6. A aferição de temperatura do sistema garante uma melhor acuracidade no sistema de detecção de fluxo em válvula e proporcionaria o cálculo de massa do fluxo para o sistema. A queda de temperatura indica que há fluxo na válvula e, se houver segunda unidade de aferição de temperatura 7 para leitura de temperatura ambiente, haveria uma garantia maior que houve a queda de temperatura e consequentemente o fluxo na válvula.

[0051] Por fim, o método de detecção de fluxo em válvula compreende também o fato de que existe uma etapa adicional de correlacionar a identificação de fluxo de fluido pela válvula com a aferição de pressão realizada por meio de uma unidade de aferição de pressão 9 através de uma unidade de processamento 6. A aferição de pressão na linha de passagem da válvula garante uma melhor acuracidade no sistema de detecção de fluxo em válvula correlacionando com as leituras relacionadas do potenciômetro linear 5 (garantindo que há fluxo nos momentos identificados), onde a tendencia de estabilidade de pressão de um recipiente armazenador (ou botijão) de acordo com o equilíbrio liquido-gás indica que não há fluxo e variações de pressão e instabilidade indicam há fluxo na válvula.

[0052] É importante ressaltar que a descrição acima tem como único objetivo descrever de forma exemplificative a concretização particular da invenção em questão. Portanto, torna-se claro que modificações, variações e combinações construtivas dos elementos que exercem a mesma função substancialmente da mesma forma para alcançar os mesmos resultados, continuam dentro do escopo de proteção delimitado pelas reivindicações anexas.