INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL APLICADA À INDÚSTRIA DE PETRÓLEO

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1 INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL APLICADA À INDÚSTRIA DE PETRÓLEO Professor Valner Brusamarello - UFRGS Encontro V

2 Temas abordados no curso Encontro I Introdução e definições gerais Incertezas em medições Encontro II Aspectos gerais sobre conversores AD e DA Canal de medição e ruído eletromagnético Encontro III Medição de temperatura

3 Equação de Bernoulli Descreve relação entre velocidade, pressão e altura

4 Restrição em tubulação

5 Tubo de Pitot O Tubo de Pitot é um instrumento utilizado para a medição de velocidades de escoamentos tanto internos quanto externos, para líquidos ou gases. Pressão Estática é a pressão real ou a pressão termodinâmica que atua no fluido. Pode também ser definida como a pressão acusada por um sensor que acompanha o fluido, com a mesma velocidade deste. É medida através do uso de um pequeno orifício executado na parede da tubulação ou de outra superfície alinhada com o escoamento, tendo-se o cuidado de que esta medição altere o mínimo possível o movimento do fluido. Pressão Dinâmica é a pressão decorrente da transformação da energia cinética do fluido em pressão, através de uma desaceleração isoentrópica do mesmo. Pressão Total, de Impacto ou de Estagnação é a soma da pressão estática com a pressão dinâmica. A sua medição é feita através de uma tomada de pressão voltada contra o escoamento e alinhada com as linhas de corrente, de forma a receber o impacto do fluido. Figura 1 Leituras de pressões estática, total e dinâmica.

6 Tubo de Pitot Utilizando-se a Equação de Bernoulli, tem-se que as energias potenciais dos pontos 1 e 2 são idênticas e não necessitam ser consideradas. Assim, tem-se do lado esquerdo da equação (1), respectivamente, a energia cinética e a energia de pressão ou trabalho de escoamento do ponto 1. Do lado direito tem-se os mesmos termos relativos ao ponto 2. Como a velocidade no ponto 2, v2, é nula, tem-se do lado direito apenas o termo relativo à pressão, no caso, à pressão total ou de estagnação. Esta pressão é igual a pressão estática no ponto 1, adicionada àenergia cinética do escoamento no ponto 1, equação (2). Nestas equações ρ é a massa específicado fluido em escoamento. Para a montagem da Figura 3 ou da própria Figura 1(c), a velocidade obtida através da Equação de Bernoulli será dada pela Equação (3). sendo que ρf e ρm são as massas específicas do fluido em escoamento e do líquido manométrico, respectivamente, g é a aceleração gravitacional e h a altura lida no manômetro.

7 Fluxímetros comuns por pressão diferencial: orifício O orifício é um método barato, mas tem alguns problemas por introduzir perda de energia devido as turbulências geradas pela mudança brusca da geometria.

8 O Tubo de Venturi possui uma geometria um pouco mais complexa, mas os resultados ficam mais próximos do esperado que o orifício Venturi e Bocal O bocal tem características dos 2 primeiros métodos. É mais simples que o tubo de Venturi mas possui uma curvatura que diminui consideravelmente as turbulências.

9 Fluxímetros de área variável Área mínima por onde o fluído passa varia com o fluxo. Rotâmetro

10 Palheta móvel

11 Queda de Weir e Flume Dependendo da abertura da queda a altura h varia

12 Queda de Weir e Flume

13 Fluxímetro de Deslocamento Positivo Compartimentos que por arraste geram um movimento de rotação

14 Fluxímetro de Deslocamento Positivo

15 Fluxímetro de Deslocamento Positivo

16 Fluxímetro de Deslocamento Positivo

17 Fluxímetro tipo Turbina

18 Fluxímetro tipo Turbina

19 Fluxímetro tipo palhetas (impellers)

20 Fluxímetro tipo palhetas (impellers)

21 Fluxímetro Eletromagnético Lei de Faraday: Quando um condutor movimenta-se por um fluxo eletromagnético, surge uma tensão elétrica induzida.

22 Fluxímetro Eletromagnético

23 Fluxímetro Eletromagnético Restrições: O fluído deve ser condutor e não podem haver bolhas de ar

24 Fluxímetros Ultrassônicos

25 Fluxímetros Ultrassônicos

26 Fluxímetros Ultrassônicos

27 Fluxímetros por Efeito Vortex A freqüência dos ciclos turbulentos gerados é proporcional ao fluxo

28 Fluxímetros por Efeito Vortex

29 Fluxímetros por fluxo de massa A perda de calor está diretamente ligada a velocidade de deslocamento do fluído.

30 Fluxímetros por fluxo de massa

31 Fluxímetros por fluxo de massa

32 Fluxímetro por efeito Coriolis O fluído penetra por uma entrada e faz um tubo com geometria determinada vibrar. A vibração deste tubo é dependente do fluxo.

33 Fluxímetro por efeito Coriolis

34 Fluxímetro por efeito Coriolis

35 Fluxímetro por força de arraste

36 Medição de nível Nível pode ser definido como a altura de preenchimento de um líquido ou de algum tipo de material em um reservatório ou recipiente. A medição normalmente é realizada do fundo do recipiente em relação a superfície ou um ponto de referência do material a ser medido. L h d Sistema típico

37 Visualisadores Indicação visual, sem saída elétrica

38 Método utilizando bóias Uma bóia móvel é o principal elemento no sistema. Existem sistemas que possuem mais de uma bóia contendo pequenos ímãs que sensibilizam sensores fixados em níveis (alturas conhecidas). Diferentes estratégias de medida podem ser implementadas com estes sistemas.

39 Efeitos de densidade Deslocador: O princípio de funcionamento é a força de empuxo exercida em um flutuador. Essa forma de medição é baseada na lei enunciada por Arquimedes: Todo corpo mergulhado em um fluido sofre a ação de uma força vertical dirigida de baixo para cima igual ao peso do fluido deslocado. A força de empuxo é definida como: F g. A.. l E líquido submerso

40 Medidores Tipo Hidrostático a) Pressão diferencial b) Hidrostatic Tank Gaging Um terceiro sensor é inserido para compensar eventuais mudanças de densidade os sensores são avaliados por um computador c) Borbulhador: Um tubo injetando um gás. As variações na pressão do tubo são devido à variação de nível.

41 Método capacitivo A variação do nível do material entre duas placas condutoras faz com que a capacitância varie. No caso de placas paralelas: C i d A onde é a permissividade do isolante (reflete a habilidade para armazenar cargas) em e a distância de separação entre as placas do capacitor. A permissividade para um isolante é dada por: i o r A Figura ao lado ilustra um tanque e o capacitor cilíndrico equivalente, no qual o nível está sendo medido pela variação da capacitância. Pode-se observar um eletrodo de diâmetro, um isolante de diâmetro e um tanque de diâmetro. Desta forma a capacitância 2 do sistema pode ser definida por: 0 C L 1 d 2 1 d 3 ln ln 1 d1 2 d2

42 Método capacitivo

43 Condutividade A substância fecha contato entre dois ou mais eletrodos. Limitada ao número de eletrodos

44 Ultra-som Medidores de nível por sinais ultra-sônicos utilizam freqüências entre 20 e 200 khz. Alguns instrumentos, denominados sônicos utilizam freqüências menores que 10 khz. O princípio de funcionamento deste método é medir o tempo de eco de um sinal enviado por um transdutor piezo-elétrico

45 Ultra-som

46 Por vibração Funciona como uma chave assim que o nível atinge os garfos.

47 Por radar A palavra RADAR é a sigla de Radio Detection and ranging. O radar foi primeiramente utilizado em aplicações militares com a intenção de detectar aeronaves ainda na década de O RADAR transmite uma onda eletromagnética em uma faixa de freqüência de 3 a 30 GHz. O tempo de eco do sinal é relacionado com a distância percorrida pelo sinal. O RADAR por freqüência modulada transmite um sinal contínuo de freqüência variável. Quando o sinal alcança a superfície do material, o mesmo é refletido em direção ao emissor. Ao invés de analisar o tempo de deslocamento, o receptor avalia a diferença de freqüência entre o sinal transmitido e o sinal refletido.

48 Radar

49 Atenuação de radiação Quando a radiação tipo gama passa por determinado meio, a mesma é atenuada. Esta atenuação depende apenas da fonte, do caminho de absorção e da densidade do meio. Uma vez que a fonte e a distância percorrida pelo feixe é constante, a medida é afetada apenas pela densidade do meio

50 Efeito Magnetostrictivo Um pulso de corrente é aplicado no guia de ondas e um contador de tempo eletrônico é disparado. - Devido ao efeito Wiedemann uma força de torção surge no local da posição do ímã permanente. Esta força produz uma onda de deformação, que trafega pelo material com a velocidade do som neste guia de ondas. - Quando a onda de deformação ou o pulso de retorno alcança o cabeçote do sensor, o mesmo é detectado e o contador de tempo é parado.

51 Laser Faz parte do grupo de medidores de nível (ou distância) que utiliza o tempo de propagação, ou o atraso do feixe refletido. Funcionamento semelhante ao ultra-som

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