As bobinas eletromagnéticas são energizadas por tensão alternada senoidal ou por um trem de pulsos, de tensão contínua pulsante.

Transcrição

1 MEDIDOR DE VAZÃO MAGNÉTICO Princípio de Funcionamento A medição de vazão eletromagnética tem seu princípio de funcionamento baseado na lei da indução de Faraday, ou seja, quando um condutor elétrico se move num campo magnético cortando as linhas de campo forma-se uma F.E.M. (Força Eletro Motriz) no condutor proporcional a velocidade do condutor. A F.E.M. induzida no líquido segundo a lei de Faraday pode ser expressa pela equação: U = K x B x v x D Onde: U = F.E.M. K = constante do instrumento B = intensidade do campo magnético v = velocidade média do fluxo D = Distância entre os eletrodos O sistema de medição consiste de um tubo não-magnético e não-condutor elétrico com duas bobinas eletromagnéticas posicionadas diametralmente. Quando fluido condutor elétrico passa no interior do tubo e perpendicular às linhas de forças magnéticas, induz uma força eletromotriz proporcional a sua velocidade. Esta milivoltagem é detectada por dois eletrodos montados diametralmente no tubo. As bobinas eletromagnéticas são energizadas por tensão alternada senoidal ou por um trem de pulsos, de tensão contínua pulsante.

2 A tensão U induzida neste meio é diretamente proporcional à velocidade média do fluxo "v". A indução magnética B (intensidade de campo magnético) e a distância entre os eletrodos D (diâmetro nominal do tubo) são constantes. Logo a F.E.M induzida é função da vazão volumétrica do processo. Na medição indutiva de vazão o fluido em movimento constitui o condutor móvel, porém sua condutividade precisa ser no mínimo 5 μs.cm-1. O transmissor de vazão instalado na tubulação entre flanges é composto basicamente do tubo cilíndrico revestido de material isolante, duas bobinas fixadas no tubo, face a face, para geração do campo magnético e dois eletrodos fixados perpendicularmente às bobinas. O campo magnético alternado possui a mesma frequência da tensão de alimentação. A tensão gerada pelo fluido móvel e captada pelos eletrodos é alternada e possui a mesma frequência da tensão de alimentação. O campo magnético alternado possui a mesma frequência da tensão de alimentação. A tensão gerada pelo fluido móvel e captada pelos eletrodos é alternada e possui a mesma frequência da tensão de alimentação. O sistema é constituído do : 1. Elemento primário; 2. Transmissor; 3. Cabo de ligação. Elemento Primário O elemento primário é constituído dos seguintes componentes: 1. tubo medidor; 2. bobinas de excitação; 3. eletrodos; 4. caixa de ligações elétricas; 5. conexões de processo flangeadas.

3 Tubo O material do tubo magnético é não-ferromagnético para permitir a penetração do campo eletromagnético; p.ex., aço inox 304, fibra de vidro. A superfície interna possui um revestimento interno isolante elétrico para evitar o curto circuito da tensão, p. ex., teflon poliuretano e cerâmica. O fluido passa no interior do tubo e fica em contato direto com o seu revestimento e, portanto a escolha do material do revestimento deve ser compatível, sob o ponto de vista de corrosão, com o tipo do fluido do processo. A velocidade do fluido é outro parâmetro importante, pois pode provocar erosão no revestimento.

4 Bobinas As duas bobinas de excitação, colocadas externamente ao tubo e opostas entre si, para gerar o campo magnético. Geralmente as bobinas são enroladas com fio de cobre isolado por esmalte em um núcleo de ferro laminado, para concentrar as linhas de força do campo magnético, focalizando o campo na direção perpendicular ao fluido. A potência típica de consumo está entre 10 W a 100 W. Eletrodos Os dois eletrodos atravessam o revestimento isolante para fazer contato com o fluido e tangenciam a superfície interna do tubo. Eles são colocados perpendicularmente ao plano das bobinas para detectar a força eletromotriz induzida pelo fluido condutor que se move no campo eletromagnético. Deve haver o revestimento isolante justamente para evitar que a tensão induzida captada pelos eletrodos entre em curto circuito. Os eletrodos são disponíveis em vários materiais: aço inoxidável não magnético, para fluidos não agressivos e tântalo, tungstênio, monel, Hastelloy, platina, titânio e zircônio para fluidos agressivos. Embora a superfície de contato dos eletrodos com o fluido do processo seja pequena, o material dos eletrodos deve ser compatível com o fluido de modo que não haja corrosão química. A cabeça dos eletrodos tem um formato especial para se conformar com a superfície interna da tubulação. Na outra extremidade estão as conexões elétricas. Caixa de ligação As bobinas devem estar contidas em uma caixa, com duas tampas protetoras, provendo uma classe de proteção mecânica para uso externo e a prova de tempo (NEMA 4 ou IEC IP 65) e opcionalmente resistente a corrosão, resistente a submersão. A caixa possui duas conexões elétricas separadas, uma para a alimentação das bobinas e outra para o sinal de saída do tubo medidor. A tensão de alimentação pode ser de 120 ou 240 V, 50 ou 60 Hz. A tensão induzida é da ordem de mv. Elemento Secundário O elemento secundário é o transmissor eletrônico de vazão, incorretamente conhecido como conversar. O transmissor eletrônico de vazão associado ao tubo magnético medidor de vazão recebe o sinal gerado pelo tubo e o converte em um sinal padrão de transmissão de corrente, típico de 4 a 20 ma, conveniente para o controle e o registro. Opcionalmente, ele pode ter também saída de pulsos, conveniente para a totalização da vazão. O transmissor pode ser montado diretamente no tubo magnético ou afastado dele. Como o sinal gerado pelo tubo e manipulado pelo transmissor é alternado e de baixo nível (poucos

5 milivolts) ele deve ser rigorosamente blindado contra interferências internas e externas. Há blindagem até no circuito impresso. A tensão gerada é função da velocidade do fluido e é independente da temperatura, pressão, densidade, viscosidade, turbulência e condutividade do líquido (desde que ela seja maior que um limite mínimo especificado pelo fabricante do sistema). A faixa ótima de velocidade de trabalho do medidor magnético é de 2 a 3 m/s, porém para líquidos que contenham sólidos em suspensão é aconselhável aumentar a velocidade para 3 a 5 m/s. Formas da Tensão Induzida Atualmente há duas tecnologias diferentes relacionadas com a tensão de alimentação e excitação das bobinas: por corrente alternada senoidal e por corrente contínua pulsada. a) Excitação senoidal Historicamente, a primeira tecnologia empregada usa uma tensão alternada senoidal para excitar as bobinas. As vantagens da excitação senoidal são a maior homogeneidade e a melhor estabilidade do campo eletromagnético criado. A grande desvantagem é o problema da quadratura que aparece, provocando o desvio do zero. A tensão induzida está 90 graus defasada da tensão de alimentação, pois o circuito é puramente indutivo. A amplitude da quadratura não é constante, sendo afetada pela sujeira depositada nos eletrodos, que muda a impedância de entrada do sinal. O zero dos medidores com alimentação alternada é estabilizado por um circuito de rejeição da quadratura, integralizado ao circuito do transmissor eletrônico. b) Excitação com corrente contínua pulsada A tensão de excitação das bobinas deve ser variável com o tempo, para que não haja polarização nos eletrodos. Além da excitação senoidal clássica, atualmente se emprega a excitação de corrente continua pulsada. A tensão de excitação é um trem de pulsos. E a tensão induzida é também um trem de pulsos, cuja amplitude diferencial é proporcional a vazão. Além de ciclar a tensão em "liga" e "desliga" em uma frequência menor (2 a 30 Hz) que a senoidal (50 a 60 Hz), o medidor com cc pulsada faz a média no tempo das diferenças entre os sinais induzidos no "liga" "desliga. O sinal desligado" representa o ruído da linha e o sinal "ligado" representa o sinal induzido mais o ruído. Deste modo é possível se fazer o zero do instrumento cíclica e automaticamente. E é eliminado, de modo simples, o problema de quadratura. O medidor com cc pulsada é menor e cerca de 35% mais barato que o medidor com ca senoidal. Ele também consome menos energia, sua instalação e sua fiação de campo são mais simples. Porém, a resposta do medidor com ca senoidal é mais rápida e seu desempenho é superior quando manipula fluidos sujos. Partículas duras no fluido podem criar um ruído de baixa frequência no sinal de vazão, devido a raspagem dos eletrodos e reações eletroquímicas na superfície dos eletrodos. Este ruído de baixa frequência, que afeta a estabilidade do medidor tipo cc pulsada é efetivamente

6 eliminado do tipo ca senoidal por causa de sua maior relação sinal/ruído. Para resolver o problema de fluidos sujos, os fabricantes do tipo cc pulsada introduziram recentemente um circuito avançado de redução de ruído e modificaram os esquemas de excitação das bobinas. Instalação O tubo medidor magnético opera em qualquer posição, horizontal, vertical ou inclinada. A instalação do elemento primário deve garantir que o tubo esteja sempre cheio. Os eletrodos devem ser montados em um plano horizontal, para evitar que haja circuito aberto causado por bolhas de ar no topo do tubo. A continuidade entre o fluido condutor e o tubo metálico é necessária, para prover uma referência para o sinal de medição. Deve se aterrar o tubo medidor a tubulação metálica local ou ao líquido, se a tubulação for não condutora. O sistema magnético é provavelmente o medidor que requer os menores trechos a montante e a jusante. Mesmo assim ele requer trechos retos; Foxboro sugere 5D a montante e 3D a jusante do medidor. Desempenho do Sistema Medidor O sistema apresenta alta sensibilidade, precisão e estabilidade. A precisão do sistema medidor pode ser melhorada quando se determina o fator do par casado: tubo medidor e transmissor eletrônico. Os tubos e os transmissores podem ser usados indistintamente, sem preocupação com o diâmetro do tubo e o fluido do processo. A calibração do sistema praticamente não é afetada pela variação da condutividade, densidade, turbulência e viscosidade do fluido. O período de verificação do fator do tubo (relação entre a milivoltagem e a vazão) é longo, pois o sistema é estável e praticamente não há alteração dos parâmetros que estão embutidos na constante do medidor. Vantagens e limitações a)vantagens O medidor magnético de vazão é quase o medidor universal. Os seus méritos são: 1. O tubo medidor é totalmente sem obstrução e não possui peças moveis. A perda de pressão permanente através do cabo medidor é igual à perda de um pedaço de tubulação de mesmo comprimento. Os custos de bombeamento são baixos por causa da pequena perda de carga; 2. O consumo de energia é muito baixo, principalmente quando a excitação é por voltagem contínua pulsada. O consumo típico é de 15 a 20 watts; 3. O medidor pode manipular Fluidos mal comportados, como ácidos, bases, águas e soluções aquosas, por causa da boa resistência à corrosão e erosão apresentada pelos diversos tipos de revestimento, como teflon, cerâmica e plásticos especiais e pelos diversos materiais dos minúsculos eletrodos, como aço inoxidável, Monel, titânio, Hastelloys, platina e tântalo;

7 4. O medidor pode ser usado em aplicações com Fluidos sujos e com sólidos em suspensão, por causa de não ter obstrução e da alta resistência física dos revestimentos; 5. O medidor pode medir vazão muito pequenas e muito elevadas, sendo comercialmente disponíveis com diâmetros entre 3 mm e 3 m; 6. O medidor pode medir vazão nas duas direções. b) Desvantagens Como nada é perfeito, o medidor magnético de vazão possui limitações específicas de uso: 1. O medidor só funciona com fluidos que tenham uma condutividade elétrica mínima, típica de 5 μs/cm. Ele não mede algumas substâncias puras, incluindo hidrocarbonos e não mede gases; 2. O medidor é relativamente pesado; 3. A instalação elétrica deve ser bem cuidada, principalmente o aterramento; 4. O custo do sistema total varia de moderado para caro, sendo justificado seu uso quando se tem problemas de fluido; 5. O medidor precisa estar sempre cheio, mesmo quando não há vazão, para não gerar voltagens espúrias e deve ter o ajuste de zero periódico.