Artigo Sobre Medidores de Vazão PDF
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RESUMO
Este artigo tem a finalidade de descrever os conceitos, métodos e medidas do sistema de
medição de vazão convencionais e especiais. As aplicações são inúmeras, indo desde
aplicações simples como a medição de vazão de água em estações de tratamento e residências,
até medição de gases industriais e combustíveis, passando por medições mais complexas. As
aplicações bem como a escolha correta de um determinado instrumento para medição de
vazão dependem de vários fatores, os quais aqui serão apresentados.
ABSTRACT
This article has the purpose to describe the concepts, methods and measures of conventional
and special flow measurement system. The applications are numerous, ranging from simple
applications like the measurement of water flow in treatment stations and residences, up to
industrial measurement and combustible gases, passing through more complex measurements.
Applications and the correct choice of a particular instrument for flow measurement depends
on various factors, which will be presented here.
Introdução
A vazão é a terceira grandeza mais medida nos processos industriais. Nas operações
realizadas é muito importante efetuar a medição e o controle da quantidade de fluxo de
líquidos, gases e até sólidos granulados, não só para fins contábeis, como também para a
verificação do rendimento do processo.
Estão disponíveis no mercado diversas tecnologias de medição de vazão cada uma
com sua aplicação adequada conforme a realidade imposta pelo processo.
A escolha correta de um determinado instrumento para medição de vazão depende de
vários fatores. Dentre estes, destaca-se:
A exatidão desejada para a medição;
O conhecimento do tipo de fluido (líquido, gás, vapor) e suas propriedades,
bem como as características de escoamento;
A condutividade elétrica, transparência, etc.;
As condições termodinâmicas: por exemplo, níveis de pressão e temperatura
nos quais o medidor deve atuar;
O espaço físico disponível;
O custo.
1Definição de vazão
A medição de vazão de fluidos sempre esteve presente em nosso dia a dia, como
exemplo o hidrômetro das residências, o marcador de uma bomba de combustível nos
veículos, etc. Os medidores de vazão são fundamentais estratégica e economicamente nos
processos industriais, pois, sãoutilizados para o controle do processo, análise e garantia de
qualidade, produtividade; segurança; análise de eficiência,perdas e rendimento; balanço de
massa, balanço de energia; transações comerciais, medições contábeis, etc.
A vazão pode ser definida como sendo a quantidade volumétrica ou mássica de um
fluido que escoa através de uma seção de uma tubulação ou canal por unidade de tempo.
2Vazão Volumétrica
É definida como sendo a quantidade em volume que escoa através de uma seção em
um intervalo de tempo considerado. É representado pela letra Q, ou por Qv, e expressa pela
seguinte equação:
Onde:
V = volume
t = tempo
As unidades de vazão volumétricas mais utilizadas são: m³/s, m³/h, l/h, l/min, GPM
(galão por minuto).
Na medição de vazão volumétrica é importante referenciar as condições básicas de
pressão e temperatura, principalmente para gases e vapor, pois o volume de uma substância
depende da pressão e da temperatura a que está submetido.
3Vazão Mássica
equação:
Onde:
m = massa
t = tempo
As unidades de vazão mássicas mais utilizadas são: kg/s, kg/h, T/h e Lb/h.
Calor Específico
Define-se calor específico como o quociente da quantidade infinitesimal de calor
fornecido a uma unidade de massa de uma substância pela variação infinitesimal de
temperatura resultante deste aquecimento.
Viscosidade
É definida como sendo a resistência ao escoamento de um fluido em um duto
qualquer. Esta resistência provocará uma perda de carga adicional que deverá ser considerada
na medição de vazão.
Número de Reynolds
Número adimensional utilizado para determinar se o escoamento se processa em
regime laminar ou turbulento. Sua determinação é importante como parâmetro modificador do
coeficiente de descarga e representado por Re.Se Re > 2.320, o fluxo é turbulento, caso
contrário é sempre laminar. Nas medições de vazão na indústria, o regime de escoamento é na
maioria dos casos turbulento com Re > 5.000.
Onde:
v = velocidade (m/s)
D = diâmetro do duto (m)
ν = viscosidade cinemática (m²/s)
Tipos de Escoamento
▬ Regime Laminar: se caracteriza por um escoamento em camadas planas ou
concêntricas, dependendo da forma do duto, sem passagens das partículas do fluido de
uma camada para outra e sem variação de velocidade, para determinada vazão.
▬ Regime Turbulento: se caracteriza por uma mistura intensa do líquido e oscilações de
velocidade e pressão. O movimento das partículas é desordenado e sem trajetória
definida.
Funcionamento
À medida que o fluido se aproxima da placa há um ligeiro aumento na pressão, e
depois há uma súbita queda após a passagem pelo orifício. A pressão continua a cair até
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atingir um ponto de pressão mínimo chamado “vena contracta”. É quando a pressão começa a
subir novamente até atingir a pressão máxima após a placa. Essa pressão será sempre menor
que a pressão antes da placa. A diferença entre elas é chamada de “perda de carga” e é
importante para dimensionar bombas e outros elementos da tubulação, o que também significa
energia perdida devido à restrição imposta na linha pela placa.
Quando passa pelo orifício, a redução da pressão é resultado do aumento em sua
velocidade passando pela área reduzida. O fluido escoando através da área da tubulação tende
a querer passar pelo orifício que possui área menor. Dessa forma o fluido é “acelerado”, o que
causa a queda de pressão.
O medidor de vazão tipo turbina possui hoje uma tecnologia consagrada nas diversas
aplicações para medição de vazão para líquidos e gases, principalmente onde são requeridos
precisão, confiabilidade e robustez, como também a melhor relação custo benefício. As
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Funcionamento
O medidor de vazão tipo turbina consiste basicamente de um rotor, montado entre
buchas em um eixo, que gira a uma velocidade proporcional à velocidade do fluido dentro do
corpo do medidor. Um sensor eletromagnético (pick-up) detecta a velocidade de giro do rotor
gerando um trem de pulsos que serão transmitidos para um indicador eletrônico que fornecerá
uma leitura em vazão instantânea e totalização nas unidades de engenharia ou transmitindo
um sinal analógico de 4 a 20 mA.
Aplicabilidade
Bateladas em processos industriais, processos de mistura de líquidos ou gases,
automatização em processos e envasamento, medição de consumo de combustíveis líquidos
ou gasosos.Nas indústrias químicas, petroquímicas, farmacêuticas, refinarias, papeleiras,
saneamento básico, tratamento e distribuição de água, alimentícia, geradoras de energia
elétrica, distribuidoras de combustíveis, postos de abastecimentos de gás veicular, etc.
Seleção do mancal
O mancal é uma escolha importante, quando tratar de gás o mancal tipo rolamento é o
indicado. O material de fabricação do rolamento é o aço inox 440C. Para líquidos, a escolha
deve ser baseada levando-se em consideração a precisão necessária, a durabilidade, a
compatibilidade química e o custo. Para líquidos não lubrificantes o tipo bucha é o mais
indicado. O material empregado para fabricação da bucha é normalmente carbeto de
tungstênio, que apresenta uma durabilidade e compatibilidade a corrosão excelente para
maioria dos produtos. Para líquidos lubrificantes a escolha certa é o tipo rolamento, pois além
de serem mais econômicos, são também mais precisos.
8Medidor de vortex
O medidor vortex tem se destacado frente a outras tecnologias tradicionais como uma
solução para diversas aplicações industriais. Medição confiável, alarmes e diagnósticos e
robustez na operação elevam as informações e facilita a tomada de decisão para operação,
manutenção e otimização do controle do processo e produção.
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Funcionamento
Quando um fluido passa por um obstáculo são formadas camadas limítrofes de fluido
lento ao longo das superfícies externas do corpo. Se o obstáculo possui cantos vivos, a vazão
não pode seguir os seus contornos no lado a jusante e o fluido se separa em camadas,
formando vórtices na área de baixa pressão atrás do obstáculo. Os vórtices alternados são
formados nos lados do corpo como mostra a figura
abaixo. A freqüência dos vórtices é diretamente
proporcional à velocidade do fluido, assim fornecendo a
base de funcionamento do medidor. Exaustivas
experiências têm demonstrado que o número de Strouhal
(St) é constante para uma ampla faixa de número de
Reynolds (Re), particularmente para a seção transversal Figura 6. Geração de vórtices num
trapeizodal de 75° de acordo com a Figura 2. obstáculo de formato trapezoidal.
Os medidores vórtex têm um obstáculo que se
opõe ao avanço do fluido. As técnicas utilizadas para
determinação da freqüência dos vórtices são as do
anemômetro de fio quente, do ultrassom, da variação da
pressão local, dos transdutores piezoelétricos, entre
outros. Ao lado, na Figura 3, apresentamos o medidor
vortex com sensores tipo piezoelétricos, e o obstáculo
(schedder bar) posicionado dentro do tubo
perpendicularmente ao sentido de escoamento do fluido.
O medidor consiste basicamente de dois
sensores, neste caso, piezoelétricos. O fluido quando
atinge o obstáculo se divide formando os vórtices de
Figura 7. Vista interna do medidor.
forma alternada conforme abaixo. Os vórtices
alternadamente criam um diferencial de pressão na barra, onde os sensores piezoelétricos irão
gerar um sinal elétrico proporcionalmente ao esforço mecânico alternado que os vórtices
impõem ao obstáculo. O obstáculo com os sensores sofrem influência da região de alta
pressão antes da formação dos vórtices e da região de baixa pressão logo após a formação dos
vórtices. A barra possui um pequeno grau de liberdade de movimento, permitindo assim o
micro deslocamento, transmitindo o movimento para os sensores através dos esforços
mecânicos impostos aos mesmos.
Os sensores convertem o stress mecânico em pulsos elétricos para quantificar a
frequência dos vórtices. Independente da técnica utilizada, vibrações na tubulação ou ruídos
gerados pelo próprio fluido em escoamento podem afetar de forma imprevisível o sinal gerado
pelos sensores, o que obriga serem previstos meios de eliminação ou minimização de tais
ruídos e vibrações através de técnicas sofisticadas de processamento de sinal. Através do
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tratamento digital dos pulsos elétricos dos sensores, determina-se a frequência dos vórtices e
infere-se a velocidade. Uma vez obtida à velocidade pela correlação do NSt, multiplica-se
pela área do tubo medidor para se obter a vazão volumétrica.
Para garantir melhor exatidão e estabilidade, elimina-se ruídos de vazão utilizando
processamento de sinal digital que permite através de filtragens de bandas e circuito
comparador incorporado (schimitt trigger), tratar o sinal dos sensores e obter a real medição
de vazão livre de ruídos. Com recursos de diagnósticos avançados, o medidor vórtex
possibilita obter informações da vibração da tubulação e fazer uma avaliação sobre ruídos de
vazão anormais. Estas indicações preliminares com alarmes e diagnósticos tornam mais fácil
o trabalho e as tomadas de decisão para fins de manutenção.
Figura 10. Visão interna do medidor ultrassônico de tempo de trânsito, sensor não-invasivo.
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Esses medidores exploram o efeito da força de Coriolis, que é uma força inercial que
atua sobre um corpo em movimento em um referencial não-inercial rotativo.
O medidor por coriolis mede a vazão por meio da medição da oscilação (vibração) de
um tubo interno ao medidor por meio da aplicação do princípio de Coriólis, que é uma técnica
direta ou dinâmica que gera um sinal proporcional à vazão mássica, e praticamente
independente das propriedades do material, tais como condutividade, pressão, viscosidade ou
temperatura. Podendo ainda ser utilizado para determinar a densidade do produto circulante.
Funcionamento
Este medidor de vazão utiliza um fenômeno físico que envolve a inércia e a aceleração
centrípeta. A vazão de uma tubulação é dividida por dois tubos paralelos que possuem forma
de “U”, e ao fim destes tubos a vazão volta a ser conduzida por um único tubo. Próximo da
parte inferior de cada “U“ existe eletroímãs que fazem os dois tubos oscilarem em suas
frequências naturais de vibração e cuja amplitude não ultrapassa alguns milímetros. Com a
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Aplicabilidade
É um instrumento com grande
aplicabilidade, atendendo a especificação
dos mais variados processos, na medição
de líquidos e gases de indústrias
Petroquímicas, Químicas, Petrolíferas,
Farmacêuticas, Alimentícias e outros
segmentos.
Podem medir líquidos, inclusive os
com gás entranhado, líquidos com sólidos,
líquidos de alta e baixa viscosidade,
suspensões e emulsões contendo partículas Figura 12. Medidor de vazão por coriolis.
sólidas em suspensão e gases. Não
dependendo do estado físico desses elementos, desde que a densidade do fluido seja
suficientemente elevada para operar corretamente o medidor sem a necessidade de
compensação de pressão, temperatura, densidade ou viscosidade.
Considerações finais
Referências