MEDIÇÃO DE VAZÃO: CONCEITOS E MÉTODOS DE MEDIDAS

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1 1 Artigo apresentado na disciplina Engenharia de Automação de Processos Industriais II do Curso de Engenharia de Produção da Universidade do Estado de Minas - Campus Divinópolis MEDIÇÃO DE VAZÃO: CONCEITOS E MÉTODOS DE MEDIDAS Alessandro Felipe Araújo 1 Antônio Márcio de Sousa Júnior 2 Indianara Luzia Silva 3 Jussara Alves da Silva 4 Renata Fonseca Honório 5 RonaraLenoir Rodrigues 6 Thiago Nunes Lemos 7 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. Palavras-chave: Medição, Vazão. FLOW MEASUREMENT: CONCEPTS AND MEASURES METHODS 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. Keywords: Measurement, Flow rate. ¹ Graduando em Engenharia de Produção - Universidade do Estado de Minas Gerais. alessandro2107@hotmail.com ² Graduando em Engenharia de Produção - Universidade do Estado de Minas Gerais. juninhodjsousa@hotmail.com ³ Graduanda em Engenharia de Produção - Universidade do Estado de Minas Gerais. indianara.09@hotmaiol.com 4 Graduanda em Engenharia de Produção - Universidade do Estado de Minas Gerais. ajussara42@yahoo.com.br 5 Graduanda em Engenharia de Produção - Universidade do Estado de Minas Gerais. renatafonsecahonorio@yahoo.com.br 6 Graduanda em Engenharia de Produção - Universidade do Estado de Minas Gerais. ronara.lenoir@hotmail.com 7 Graduando em Engenharia de Produção - Universidade do Estado de Minas Gerais. nunes_lemos@hotmail.com

2 2 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 É definida como sendo a quantidade em massa de um fluido que atravessa a seção de uma tubulação por unidade de tempo. É representada pela letra Qm e expressa pela seguinte

3 3 equação: Onde: m = massa t = tempo As unidades de vazão mássicas mais utilizadas são: kg/s, kg/h, T/h e Lb/h. 4 Conceitos físicos básicos para medição de vazão 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 > Onde: v = velocidade (m/s) D = diâmetro do duto (m) ν = viscosidade cinemática (m²/s) Distribuição de velocidade em um duto Em regime de escoamento no interior de um duto, a velocidade não será a mesma em todos os pontos. Será máxima no ponto central do duto e mínima na parede do duto. 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. 5 Tipos de medidores de vazão Existem três tipos fundamentais de medidores de vazão: indiretos, diretos e especiais, como podem ser visto na Figura 1. Neste artigo vamos abordar especificamente o medidor de vazão indireto de placa de orifício,o medidor direto do tipo turbina e alguns medidores especiais: o vortex, o ultrassônico e o coriolis.

4 4 Figura 1. Classificação dos tipos de medidores de vazão. 6Medidor de vazão por placa de orifício Atualmente, há inúmeras tecnologias para medição de vazão no mercado, mas sem dúvida, o medidor com placa de orifício ainda é o mais usado pelo seu baixo custo associado ao grande conhecimento acumulado de décadas de aplicação. Isso significa, entre outras coisas, que todo profissional de Automação ligado ao Controle de Processos pode eventualmente se deparar com um medidor desse tipo. É então conveniente conhecer seus princípios básicos de funcionamento. Além disso, ao longo de várias décadas o medidor com placa de orifício vem sendo aperfeiçoado para melhorar seu range, precisão e robustez. A placa de Orifício é um trecho de tubulação com uma restrição que cria uma queda de pressão no fluido sendo escoado. Um bocal ou tubo de Venturi também são exemplos de restrições que podem ser usadas. Entretanto, a placa fina com orifício central é o tipo de restrição mais empregado. Para usar qualquer tipo de restrição é necessário primeiro calibrá-la empiricamente. Isso significa que é preciso montar diferentes tipos de placas, passar por elas um volume conhecido e verificar qual a leitura do medidor, de forma a ajustar o medidor de acordo com sua geometria e também com as características do produto medido (gás, líquido ou vapor). A seguir, na Figura 2, os tipos mais comuns encontrados. 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

5 5 Figura 3. Tipos de placa de orifício mais comuns. 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. Figura 2. Perfil genérico de pressão em trecho de medição com placa de orifício. 7 Medidor de vazão tipo turbina 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

6 6 características principais são: utilização em processos industriais, laboratórios, exatidão melhor do que 0,5% para líquidos e 1% para gases, vazões de 0,08 a m /h para líquidos e de 0,5 a m /h para gases. Conexões para processo tipo flangeadas, rosqueadas ou sanitárias, tempo de resposta baixo. 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. Figura 4. Modelo de medidor de vazão tipo turbina. Figura 5. Imagem interna do medidor de vazão tipo turbina. 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.

7 7 Os avanços tecnológicos em instrumentação e a importância da confiabilidade metrológica, somados à necessidade de garantia da eficiência das instalações industriais para atender às crescentes necessidades do usuário final, estão mudando rapidamente o posicionamento do medidor vortex. A medição de vazão de utilidades como água, álcool, entre outros líquidos; ar comprimido, nitrogênio, oxigênio, gás natural, vapor, e outros insumos industriais para fins de balanço material e/ou energético, controle do processo e produção, justifica a crescente aplicação deste medidor, que tem como grandes vantagens a exatidão, alta precisão, medição de vazão linear de líquidos com baixa viscosidade, gases e vapor. Aplicações com temperaturas entre C e C; preço competitivo de aquisição/instalação, operação e manutenção; substituição de medidores tradicionais com melhor custo/benefício e desempenho complementam os diferenciais deste medidor. 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 trapeizodal de 75 de acordo com a Figura 2. 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 forma alternada conforme abaixo. Os vórtices Figura 6. Geração de vórtices num obstáculo de formato trapezoidal. Figura 7. Vista interna do medidor. 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

8 8 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 9. Sensores do medidor Vórtex. Figura 8. Filtragem do sinal. 9Medidores de vazão ultrassônicos Os medidores de vazão ultrassônicos utilizam a velocidade do som como meio auxiliar de medição existe dois principais tipos, o medidor de vazão de tempo de trânsito e o medidor de vazão a efeito de Doppler. Medidor de vazão de tempo de trânsito é um instrumento ideal para medir a vazão de fluídos relativamente limpos, seu principio de funcionamento é através de um sinal acústico (ultrassom) que é transmitido de um sensor a outro, no tempo que a onda mecânica leva para ir de um cristal ao outro, este outro cristal pode ser colocado no mesmo lado do tubo ou do outro lado recebendo um sinal após uma reflexão na parede oposta como mostra na Figura 10. Este pode ser tanto na direção do fluxo, quanto contrário ao fluxo. Figura 10. Visão interna do medidor ultrassônico de tempo de trânsito, sensor não-invasivo.

9 9 Medidor de vazão Doppler ultrassônico (não invasivos) mede vazão volumétrica que exige particulado ou bolhas na vazão. São ideais para aplicações em águas residuais ou em líquido poluído que seja condutivo ou apresente água como base e também para aplicações em que baixa queda de pressão, compatibilidade química e pouca necessidade de manutenção sejam exigidas, como mostra a Figura 11. O efeito Doppler é aparente variação de frequência produzida pelo movimento relativo de um emissor e de um receptor de frequência, no caso variação de frequência ocorre quando as ondas são refletidas pelas partículas móveis do fluído. Os transdutores emissores projetam um feixe contínuo de ultrassom na faixa das centenas de khz, os ultrassons refletidos por partículas veiculadas pelo fluído tem sua frequência alterada proporcionalmente ao componente da velocidade das partículas na direção do feixe, são instrumentos capazes de medir a vazão de fluídos que possuem partículas capazes de refletir ondas acústicas. O sensor ultrassônico é um sensor não invasivo como mostra na Figura 7, localizado na parte externa da tubulação e sem contato com o fluido. Este medidor propaga ondas sonoras no interior do fluido através das paredes da tubulação assim as ondas sonoras são refletidas por partículas em movimento, a frequência é deslocada devido ao fenômeno conhecido como efeito Doppler. A emissão de ondas sonoras originadas por um oscilado rum dispositivo que envia um pulso de corrente através do cristal piezoelétrico. O pulso faz com que o dispositivo piezo vibre fisicamente e mover as ondas sonoras e assim passar através do fluido. Suas aplicações mais comuns nas indústrias são na medição de gases tóxicos, inflamáveis, altamente corrosivos, isso pela segurança da instalação externa á tubulação, isso evita pontos de vazamento. Entretanto como vantagem do medidor ultrassônico pode destacar o fato de poder medir de forma não intrusiva, ter alta durabilidade, pois não possui partes móveis, além disso, apresenta boa rangeabilidade não é necessária parada para manutenção se houver necessidade de troca de sensores, tendo como desvantagem o custo relativamente alto e requerer longos trechos retos. 10 Medidor de vazão por coriolis Figura 11. Visão interna do medidor ultrassônico de efeito Doppler. 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

10 10 passagem de fluido pelos tubos, em função desta oscilação, surge uma torção nos tubos cuja defasagem permite a medição da vazão mássica. Esta defasagem é medida por sensores magnéticos instalados nas partes retas dos tubos. Este tipo de medidor pode ser utilizado para medições de fluxos de líquidos e gases, com ou sem sólidos em suspensão. 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 Com o aumento dos processos industriais, a grande dificuldade em encontrar um sistema de medição perfeito juntamente com a necessidade de medir os fluxos de vazão da matéria, foi preciso desenvolver um sistema que medisse com maior precisão e que gerasse mais produtividade e qualidade em todos os processos. Foi ai que surgiram os medidores de vazão ou medidores de fluxo dos mais variados tipos, como por exemplo, o hidrômetro das residências que estão presentes no nosso cotidiano. Concluímos que o medidor de vazão foi uma evolução indispensável em termos estratégicos e econômicos, pois geram análise e garantia de segurança e eficiência e se tornaram fundamentais para todos os processos, principalmente os industriais. Referências DELMEÉ G., Jean.Manual de medição de vazão. 3ª Edição 2003; Editora Edgard Blücher Ltda. RIBEIRO M. Antônio.Medição de vazão. 6ª Edição SOLAINY, Matias. et al. Medidor de vazão coriólis. Disponível em: < Acesso em: 26 ago CASSIOLATO, César; ORELLANA, Evaristo. Medição de vazão. Artigo disponível em: < Acesso em: 20 ago