Inspeção de Sistemas de. Módulo 4 Medição de Vazão

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1 C u r s o Inspeção de Sistemas de Medição de Gás NATURAL Módulo 4 Medição de Vazão

2 C u r s o Inspeção de Sistemas de Medição de Gás NATURAL Módulo 4 Medição de Vazão desafio 3 Princípios de Operação dos Medidores de Vazão

3 Módulo 4 Medição de Vazão SUMÁRIO 1. Considerações Iniciais 2. Tipos e Características dos Medidores de Vazão 2.1. Medição de Vazão por Perda de Carga Variável Placa de Orifício 3. Perda de carga permanente 4. Transmissor de Vazão por Pressão Diferencial 5. Extrator de Raiz Quadrada 5.1. Ponto de corte 6. Dispositivo Porta-Placa 7. Tubo Venturi 8. Bocal 9. Tubo de Pitot 10. Medidor Tipo Annubar 11. Medidores de Vazão por Impacto do Fluido 12. Tipos de Flutuadores Ponto de Leitura em Função do Formato do Flutuador

4 Princípios de Operação dos Medidores de Vazão Neste conteúdo, abordaremos os Princípios de Operação dos Medidores de Vazão, bem como os tipos de medidores e seus princípios de funcionamento. Preste bastante atenção e bons estudos! 1. Considerações Iniciais Na maioria das operações realizadas nos processos industriais, 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. Assim, estão disponíveis no mercado diversas tecnologias de medição de vazão cada uma tendo sua aplicação mais adequada, conforme as condições impostas pelo processo. Neste capítulo, abordaremos algumas destas tecnologias, suas aplicações e os princípios físicos envolvidos, bem como os testes, calibração e suas interligações elétricas em forma de malhas de medição, registro, indicação e controle. 2. Tipos e Características dos Medidores de Vazão Existem três tipos fundamentais de medidores de vazão: indiretos, diretos e especiais:

5 Fig. 01 Resumo dos tipos e características dos medidores de vazão Medição de Vazão por Perda de Carga Variável Considerando-se uma tubulação com um fluido passante, chama-se perda de carga dessa tubulação a queda de pressão sofrida pelo fluido ao atravessá-la. As causas da perda de carga são: atrito entre o fluido e a parede interna do tubo, mudança de pressão e velocidade devido a uma curva ou um obstáculo etc. Os diversos medidores de perda de carga variável usam diferentes tipos de obstáculos ao fluxo, provocando uma queda de pressão, relacionando essa perda de pressão com a vazão Placa de Orifício De todos os elementos primários inseridos em uma tubulação para gerar uma pressão diferencial e assim efetuar medição de vazão, a placa de orifício é a mais simples, de menor custo e, portanto, a mais empregada. Consiste basicamente de uma chapa metálica, perfurada de forma precisa e calculada, a qual é instalada perpendicularmente ao eixo da tubulação entre flanges. DICAS PA espessura de uma placa de orifício varia em função do diâmetro da tubulação e da pressão da linha, indo desde 1/16 a 1/4.

6 Fig. 02 Exemplos de Placa de Orifício. O diâmetro do orifício é calculado de modo que seja o mais preciso possível, e suas dimensões sejam suficientes para produzir à máxima vazão uma pressão diferencial máxima adequada. A placa de orifício pode ser ajustada mais convenientemente entre flanges de tubo adjacentes e pontos de tomadas de impulso feitos em lugares adequados, uma montante da placa e o outro em um ponto no qual a velocidade, devido à restrição, seja máxima. Este ponto não é o próprio orifício porque, devido à inércia do fluido, a área de sua secção transversal continua a diminuir após passar através do orifício, de forma que sua velocidade máxima está à jusante do orifício, na vena contracta. É neste ponto que a pressão é mais baixa e a diferença de pressão é mais acentuada. Outros tipos de tomadas de pressão, conforme veremos mais adiante, também são utilizadas. ATENÇÃO É essencial que as bordas do orifício estejam sempre perfeitas, porque, se ficarem gastas, corroídas pelo fluido, a precisão da medição será comprometida. SAIBA MAIS As placas de orifício são costumeiramente fabricadas com aço inoxidável, latão etc. A escolha depende da natureza do fluido a medir. Tipos de orifícios: a) Orifício Concêntrico Este tipo de placa de orifício é utilizado para líquido, gases e vapor que não contenham sólidos em suspensão. Podemos ver sua representação a seguir. A face de entrada deverá ser polida. O ângulo de entrada do orifício deverá ser de 90 com aresta viva e totalmente isenta de rebarbas e imperfeições.

7 Fig. 03 Placa com Orifício Concêntrico. ATENÇÃO Em fluidos líquidos com possibilidade de vaporização, a placa deve ter um orifício na parte superior para permitir o arraste do vapor. Em fluidos gasosos com possibilidade de formação de condensado, o furo deve ser feito na parte inferior para permitir o dreno. b) Orifício Excêntrico Este tipo de orifício é utilizado em fluido, contendo sólidos em suspensão, os quais possam ser retidos e acumulados na base da placa; nesses casos, o orifício pode ser posicionado na parte baixa do tubo, para permitir que os sólidos passem. Este tipo de orifício é usado especialmente em tubulações horizontais. Ao contrário do que aconteceria com a placa de orifício concêntrica, neste não teríamos problemas de acúmulo de impurezas na entrada da placa. Fig. 04 Placa com Orifício Excêntrico. ATENÇÃO Durante sua instalação, o orifício deverá ser tangente inteiramente ao tubo, porém se admite que o orifício fique ligeiramente afastado do círculo inteiro do tubo, sendo que este afastamento não poderá exceder 1/16, ou seja, 1,6 mm. c) Orifício Segmental Este tipo de placa de orifício tem a abertura para passagem do fluido disposta em forma de segmentos de círculo.

8 A placa de orifício segmental é destinada para uso em fluidos em regime laminar e com alta porcentagem de sólidos em suspensão. Fig. 05 Placa com Orifício Segmentado. 3. Perda de carga permanente Ao passar pelo elemento primário gerador de depressão, o fluido tem sucessivamente uma aceleração, aumentando a velocidade até um máximo, que ocorre no plano da vena contracta, e uma desaceleração. Voltando à velocidade a ser sensivelmente igual à inicial. A variação da pressão conseqüente à variação de velocidade é mostrada na figura abaixo, no caso de uma placa de orifício. Fig. 06 Relação entre velocidade e diferença de pressão A perda de carga permanente é o nome dado ao valor da

9 queda de pressão provocada pela presença do elemento deprimogênio. Este valor é geralmente expresso de forma percentual com relação ao valor da pressão diferencial medida pelo medidor de vazão. Fig. 07 Escoamento em Placa de Orifício. 4. Transmissor de Vazão por Pressão Diferencial Os transmissores de vazão por pressão diferencial se baseiam nos mesmos princípios físicos utilizados na tecnologia de medição de pressão. Assim, são utilizados os tipos piezelétrico; straingauge, célula capacitiva etc., para medir a pressão diferencial imposta por um elemento deprimogênio cuidadosamente calculado para permitir a obtenção da faixa de vazão que passa por um duto, conforme já visto em tópicos anteriores. DICAS Como a pressão diferencial é relativamente baixa, as faixas de medição destes transmissores são expressas normalmente em mmh2o, kpa ou polegada de água. Fig. 08 Sistema de medição por pressão diferencial. Alguns exemplos de montagens, mostrando a localização do transmissor em relação à tomada, são apresentados na figura seguinte.

10 Fig. 09 Exemplos de montagem de transmissor de pressão. Quanto à posição do transmissor, recomenda-se obedecer à tabela abaixo: Fig. 10 Fotos de instalações de medição de vazão de pressão diferencial. 5. Extrator de Raiz Quadrada Uma das maneiras mais utilizadas para se medir a vazão de um fluido qualquer em um processo industrial é aproveitar-se da relação entre vazão e pressão deste fluido. Para isto, são utilizados elementos deprimogênios, tais como placas de orifício, que atuam como elementos primários e possibilitam efetuar a medição de uma pressão diferencial que é correspondente à vazão que passa por ele. Porém, essa relação não é linear e sim quadrática. Desta forma, são utilizadas unidades aritméticas denominadas Extrator de Raiz Quadrada, cuja função é a de permitir que valores medidos pelos transmissores representem a vazão medida. DICAS Esta função, extrator de raiz, pode estar incorporada ao transmissor, estar separada como um instrumento ou até mesmo ser uma função executada via software em sistema de controle, em um controlador digital ou até mesmo em um controlador lógico programável. 10

11 Fig. 11 Gráfico do sinal quadrático Vazão x P Ponto de corte Este ajuste consiste em se estabelecer um ponto inicial a partir do qual o sinal recebido pelo extrator é enviado para os instrumentos de recepção (controlador, registrador etc.). Ele é necessário devido ao alto ganho do extrator no início de sua faixa de trabalho e à instabilidade dos sinais medidos pelo transmissor em baixos P, o que resultaria em registro, totalizações ou controles inadequados e não confiáveis. Para efeito de calibração de extratores de raiz quadrada fisicamente constituídos, pode-se usar a seguinte equação: 6. Dispositivo Porta-Placa Estes dispositivos facilitam a retirada da placa de orifício sem a necessidade de parar o processo. 11

12 Fig. 12 Ilustração de Dispositivo Porta-Placa. Segue abaixo, figuras que orientam a seqüência correta para retirar a placa do porta-placa: a) Sob condições normais: Fig. 13 Porta placa sob condições normais. b) Abra a válvula equalizadora para igualar a pressão da câmara superior com a linha de gás: Fig. 14 Equalização da pressão. c) Desloque a válvula A e suba a placa de orifício: 12

13 Fig. 15 Deslocamento da Placa de Orifício. d) Feche a válvula A, feche a válvula equalizadora B, drene a pressão da câmara superior pela válvula de dreno. Fig. 16 Despressurização da câmera superior. e) Estando a câmara superior despressurizada, retire a placa de orifício, conforme figura abaixo: 13

14 Fig. 17 Remoção da Placa de Orifício. 7. Tubo Venturi A lei de VENTURI, como é chamada o princípio, foi formulada em 1797, como resultado das investigações de GIOVANNI BATISTA VENTURI, sobre problemas de hidráulica. Tem ela o seguinte enunciado: Os fluidos sob pressão, na passagem através de tubos convergentes, ganham velocidade e perdem pressão, ocorrendo o oposto em tubos divergentes. Fig. 18 Foto de um tubo Venturi. O tubo VENTURI combina dentro de uma unidade simples uma curta garganta estreitada entre duas seções cônicas e está 14

15 usualmente instalada entre dois flanges, numa tubulação. Seu propósito é acelerar o fluido e temporariamente baixar sua pressão estática. São fornecidas conexões apropriadas de pressão para observar a diferença nas pressões entre a entrada e a porta estreitada ou garganta. Fig. 19 Perda de carga no Tubo Venturi. Características do tubo VENTURI: O tubo VENTURI apresenta algumas vantagens em relação a outros medidores de perda de carga variável como: boa precisão (± 0,75%); resistência à abrasão e ao acúmulo de poeira ou sedimentos; capacidade de medição de grandes escoamentos de líquidos em grandes tubulações; Permite medição de vazão 60% superiores à placa de orifício nas mesmas condições de serviço, porém com perda de carga de no máximo 20% do P. Algumas das desvantagens no tubo VENTURI: custo elevado (20 vezes mais caros que uma placa de orifício); dimensões grandes e incômodas; dificuldade de troca uma vez instalado. 8. Bocal O Bocal de vazão (Flow nozzle) é, em muitos aspectos, um meio termo entre a placa de orifício e o tubo Venturi. O perfil dos bocais de vazão permite sua aplicação em serviços onde o fluido 15

16 é abrasivo e corrosivo. Fig. 20 Foto de um Bocal de Vazão. O perfil de entrada é projetado de forma a guiar a veia fluida até atingir a seção mais estrangulada do elemento de medição, seguindo uma curva elíptica (projeto ASME) ou pseudoelíptica (projeto ISA). Seu principal uso é em medição de vapor com alta velocidade, recomendado para tubulações com diâmetro maior que 50 mm. Fig. 21 Detalhe da montagem de Bocal de Vazão. Tipos: A. Bocal ISA 1932 Neste tipo de bocal, as tomadas de pressão são do tipo em canto (corner taps). 16

17 Fig. 22 Bocal de Vazão ISA Possui as limitações de: 0,32 < ß < 0,8 50mm < D < 500mm < Re < 107 B. Bocal ASME Neste bocal, as tomadas são do tipo D e D/2 com as seguintes limitações: 0,2 < ß< 0,8 50mm < D < 400mm 104 < Re <

18 Fig. 23 Bocal de Vazão ASME. 9. Tubo de Pitot É um dispositivo utilizado para medição de vazão através da velocidade detectada em um determinado ponto de tubulação. O tubo de Pitot é um tubo com uma abertura em sua extremidade, sendo esta colocada na direção da corrente fluida de um duto, mas em sentido contrário. A diferença entre a pressão total e a pressão estática da linha nos fornecerá a pressão dinâmica, a qual é proporcional ao quadrado da velocidade. Fig. 24 Tubo de Pitot. Utilizando o tubo Pitot, determina-se um diferencial de pressão, que corresponde à pressão dinâmica e, com o valor dessa pressão através da fórmula abaixo, obtemos a velocidade de um ponto de medição. 18

19 O tubo de Pitot mede apenas a velocidade do ponto de impacto e não a velocidade média do fluxo. Assim sendo, a indicação da vazão não será correta se o tubo de impacto não for colocado no ponto onde se encontra a velocidade média do fluxo. SAIBA MAIS Pesquisadores concluíram que o valor da velocidade média seria 0,8 da velocidade máxima do duto. Velocidade média = 0,8 * Velocidade máxima Fig. 25 Uso de Tubos de Pitot em aeronaves. 10. Medidor Tipo Annubar O Annubar é um dispositivo de produção de pressão diferencial que ocupa todo o diâmetro do tubo. É projetado para medir a vazão total, de forma diferente dos dispositivos tradicionais de pressão diferencial. Fig. 26 Medidor tipo Annubar. 19

20 A parte de alta pressão do sinal de P é produzida pelo impacto do fluido nos furos do sensor. O fluido, então, separa-se em torno do sensor Annubar, e uma zona de baixa pressão (abaixo da pressão estática no tubo) é criada devido ao formato do sensor, como mostra a figura abaixo. O lado de baixa pressão do sinal de P é sentido pelos furos à jusante do Annubar e é medido na câmara à jusante. Fig. 27 Detalhe das câmeras de alta e de baixa do medidor tipo Annubar. 11. Medidores de Vazão por Impacto do Fluido Medidor Tipo Turbina Um medidor de vazão tipo turbina consiste basicamente de um rotor provido de palhetas, suspenso numa corrente de fluido com seu eixo de rotação paralelo à direção do fluxo. O rotor é acionado pela passagem de fluido sobre as palhetas em ângulo; a velocidade angular do rotor é proporcional à velocidade do fluido que, por sua vez, é proporcional à vazão do volume. Fig. 28 Rotor de um medidor tipo Turbina. 20

21 Uma bobina censora na parte externa do corpo do medidor detecta o movimento do rotor. Esta bobina é alimentada, produzindo um campo magnético. Como as palhetas do rotor são feitas de material ferroso, à medida que cada palheta passa em frente à bobina, corta o campo magnético e produz um pulso. O sinal de saída é uma seqüência de pulsos de tensão, em que cada pulso representa um pequeno volume determinado do fluido. O sinal detectado é linear com a vazão. ATENÇÃO Unidades eletrônicas associadas permitem indicar a vazão unitária ou o volume totalizado, podendo efetuar a correção automática da temperatura e/ou pressão e outras funções. Embora a teoria básica de um medidor à turbina seja muito simples, o projeto detalhado é muito trabalhoso e complexo, o desempenho final depende de numerosos fatores, tais como: ângulo da palheta, o tipo de mancais, o número de palhetas, bem como a usinagem e montagem dentro das tolerâncias rígidas. Fig. 29 Detalhes internos de um medidor tipo Turbina. Um medidor tipo turbina corretamente projetado e fabricado tem uma elevada precisão numa faixa de vazão superior a 10:1 e excelente repetitividade. Ademais, é pequeno e leve (em relação ao tubo) e tem alta capacidade de vazão para um dado tamanho de medidor. A instalação de um medidor de turbina é uma operação mais simples. Por conseguinte, os medidores de turbina são amplamente usados em medições de transferência com fins de faturamento para produtos, tais como: óleo cru, petróleo bruto e gás. Um medidor de turbina é uma unidade versátil: possui uma faixa de pressão e temperatura muito ampla, e uma vez que o mesmo é fabricado em aço inoxidável é compatível com uma ampla faixa de fluidos. Estes, todavia, devem ser relativamente limpos, não ter alta viscosidade e a vazão deve ser em regime laminar. Linearizadores de fluidos Para estes medidores, é muito importante a linearização da vazão. Abaixo temos dois exemplos de linearizadores que são instalados dentro da tubulação. 21

22 Fig. 30 Exemplos de linearizadores de fluidos. a) Fator do Medidor O número de pulsos por unidades de volume é denominado Fator do Medidor, também conhecido como Fator K. Como exemplo, podemos citar: Se uma turbina gera pulsos, quando tivermos escoando pela mesma 3,0 m3 de um produto qualquer, seu fator será: Para medição de pulsos das turbinas em baixa freqüência, utilizamos detectores magnéticos tipo Reed Switch. Para medição de pulsos em alta freqüência, utiliza-se pickups magnéticos. Fig. 31 Pickup Magnético. Medidor Eletromagnético de Vazão O medidor magnético de vazão é seguramente um dos medidores mais flexíveis e universais dentre os métodos de medição de vazão. Sua perda de carga é equivalente a de um trecho reto de tubulação, já que não possui qualquer obstrução. É virtualmente insensível à densidade e à viscosidade do fluido de medição. 22

23 ATENÇÃO Medidores magnéticos são, portanto, ideais para medição de produtos químicos altamente corrosivos, fluidos com sólidos em suspensão, lama, água, polpa de papel. Fig. 32 Medidor eletromagnético de vazão. A aplicação dos medidores magnéticos estende-se desde saneamento até indústrias químicas, papel e celulose, mineração e indústrias alimentícias. A única restrição, em princípio, é que o fluido tem que ser eletricamente condutivo. Tem ainda como limitação o fato de fluidos com propriedades magnéticas adicionarem um certo erro de medição. Aplicação O medidor eletromagnético é um elemento primário de vazão volumétrica, independente da densidade e das propriedades do fluido (newtoniano ou não newtoniano). Este medidor não possui obstrução, portanto, apresenta uma perda de carga equivalente a um trecho reto de tubulação. Para medição de líquidos limpos com baixa viscosidade, o medidor eletromagnético é uma opção. Já que o medidor eletromagnético possui como partes úmidas apenas os eletrodos e o revestimento, é possível, através de uma seleção cuidadosa destes elementos, medir fluidos altamente corrosivos como ácidos e bases. É possível, por exemplo, a medição de ácido fluorídrico, selecionando-se eletrodos de platina e revestimento de teflon. Outro fluido, particularmente adequado para medição por essa técnica, é o da indústria alimentícia. Como o sistema de vedação dos eletrodos não possui reentrâncias, as aprovações para uso sanitário são facilmente obtidas. DICAS Se o líquido de medição tiver partículas sólidas e abrasivas, como polpa de mineração ou papel, o medidor eletromagnético é, praticamente, a única alternativa. Princípio de Funcionamento O medidor eletromagnético de vazão é uma relação entre a direção do campo magnético, movimento do fluido e força eletromotriz (fem) induzida. No caso do medidor eletromagnético, o corpo móvel é o fluido que flui através do tubo detector. Desta forma, a direção do campo magnético, a vazão, e a fem estão posicionadas uma em relação à outra de um ângulo de 90 graus. 23

24 Fig. 33 Funcionamento do medidor eletromagnético. Estrutura do Detector: Revestimento Para se conseguir retirar um sinal elétrico proporcional à vazão, é necessário que o interior do tubo seja isolado eletricamente. Se isto não for feito, a fem será curto-circuitada e, dessa forma, não estará presente nos eletrodos. Se o tubo fosse de material isolante, não haveria problema, mas, geralmente o tubo é feito de material condutor. Para evitar que a fem seja curtocircuitada pela parede condutiva do tubo, um isolante tal como teflon, borracha de poliuretano ou cerâmica é utilizado para revestimento do interior do tubo. ATENÇÃO A escolha do material isolante é feita em função do tipo de fluido. Eletrodo Eletrodos são dois condutores instalados na parede do tubo para receber a tensão induzida no fluido. Existem vários materiais de fabricação, tais como: aço inox, monel, hastelloy, platina e outros que dependem do tipo de fluido a ser medido. Tubo detector O tubo do medidor não pode ser de material ferromagnético tal como aço ou níquel, pois os mesmos causam distúrbios no campo eletromagnético. Na prática, o aço inox é o mais usado. Influência da condutividade A influência da condutividade nos medidores de vazão deve ser sempre considerada, pois ela depende de determinadas combinações entre o elemento primário e o secundário. Não há problema de influência de condutividade do fluido sobre a precisão da medição, desde que seja superior aos limites recomendados, porém, se decai do valor de projeto, ocasiona um erro considerável na indicação. Instalação elétrica 24

25 a) Alimentação das bobinas A grande transformação sofrida pelos medidores eletromagnéticos de vazão, nos últimos anos, foi com relação à forma de excitação das bobinas. Os quatro tipos principais de excitação são: corrente contínua, corrente alternada, corrente pulsante e freqüência dupla simultânea. b) Aterramento Por motivações de segurança do pessoal e para obter uma medição de vazão satisfatória, é muito importante atender todos os requerimentos dos fabricantes quanto ao aterramento. Uma interligação elétrica permanente entre o fluido, o medidor, a tubulação adjacente e um ponto de terra comum é especialmente importante quando a condutividade do líquido é baixa. A forma de efetuar o aterramento depende do tipo de medidor (revestimento interno etc.). Quando o medidor é instalado entre tubulações não metálicas ou revestidas internamente, é normal instalar anéis metálicos entre os flanges do medidor e a tubulação. Assim, é obtido o contato elétrico com o fluido para posterior aterramento. Estes anéis devem ser de diâmetro interno igual ao medidor e de diâmetro externo menor que a circunferência de furos dos flanges do medidor. Medidor de Vazão por Ultra-Som A técnica de medição de vazão por ultra-som vem adquirindo crescente importância para a medição industrial de vazão de fluidos em tubulações fechadas. Como a medição de vazão ultrasom é feita, geralmente, sem contato com o fluido não há criação de turbulência ou perda de carga, que era causada pelos medidores de vazão como placas de orifício, entre outros. Além disso, possibilita a medição de vazão de fluidos altamente corrosivos, líquidos não condutores, líquidos viscosos. 25

26 Fig. 34 Medidor de vazão por Ultra-Som. Além das vantagens já mencionadas, os medidores de vazão ultra-sônicos possuem ainda: Exatidão relativamente elevada (0,5% no fim da escala) Maior extensão da faixa de medição com saída linear. Apresentam garantia elevada, pois não possuem peças móveis em contato com o fluido não sendo sujeitas a desgaste mecânico. Possibilita medição em tubos com diâmetros que vão de 1 a 60 polegadas. A medição é essencialmente independente da temperatura, da densidade, da viscosidade e da pressão do fluido. Entre as desvantagens, podemos citar: Custo elevado na aplicação em tubos de pequenos diâmetros. Tipos de medidores Basicamente, os medidores de vazão por ultra-som podem ser divididos em dois tipos principais. Medidores a efeito DOPPLER Medidores por tempo de passagem Princípio de funcionamento O medidor de vazão ultra-sônico se fundamenta no princípio da propagação de som num líquido. A noção de que os pulsos de pressão sonora se propagam na água à velocidade do som vem desde os dias do primeiro desenvolvimento do sonar. Num medidor de vazão, os pulsos sonoros são gerados, em geral, por um transdutor piezelétrico que transforma um sinal elétrico em vibração, que é transmitida no líquido como um trem de pulsos. 26

27 Quando um pulso ultra-sônico é dirigido à jusante, sua velocidade é adicionada à velocidade da corrente. Quando um pulso é dirigido à montante, a velocidade do impulso no líquido é desacelerada pela velocidade da corrente. Baseado nessas informações, é possível determinar a vazão de fluidos por ultra-som. Vejamos a seguir o princípio de funcionamento dos dois tipos de medidores mencionados: a) Medição por tempo de passagem Estes medidores não são adequados para medir fluidos que contêm partículas. Seu funcionamento se baseia na medição da diferença de velocidade de propagação dos pulsos ultra-sônicos, quando aplicados à jusante ou à montante. Essa diferença de velocidade acarreta uma diferença de tempo na passagem dos dois sentidos. A diferença dos tempos de passagem é proporcional à velocidade do fluxo e também à vazão, conhecida a geometria do fluxo. Por esta razão, instalam-se sobre uma tubulação duas unidades transmissoras/receptoras de ultra-som de tal forma que a sua linha de ligação, de comprimento L, forme um ângulo com o vetor de velocidade de fluxo no tubo (admite-se que a velocidade média de fluxo seja V). Fig. 35 Funcionamento do medidor Ultra-Som por tempo de passagem. A diferença dos tempos de passagem T ( T = T d - T u ) é proporcional à velocidade do fluxo V, bem como à velocidade do som (c) no fluido; sendo possível determinar ou compensar a velocidade do som por outros meios. A diferença do tempo de passagem T fica sendo diretamente proporcional à velocidade de fluxo V e, conseqüentemente, a vazão QV, desde que os dados geométricos do tubo sejam conhecidos. 27

28 b) Medidores a efeito DOPPLER A freqüência de uma onda sofre alterações quando existe movimento relativo entre a fonte emissora e um receptor. A variação da freqüência em função da velocidade é chamada de efeito DOPPLER. Quando uma partícula refletora se movimenta em relação a um receptor igualmente estacionário, a variação da freqüência é proporcional à velocidade relativa entre emissor e o receptor, ou seja, entre a partícula refletora e o receptor. Fig. 36 Funcionamento do medidor Ultra-Som a efeito Doppler. Embora à primeira vista pareça um tanto complicado, o efeito DOPPLER encontra múltiplas aplicações na vida diária. O controle de tráfego por radar, por exemplo, utiliza este efeito, servindo o veículo como refletor. O deslocamento de freqüência entre o sinal emitido e refletido é proporcional à velocidade do veículo verificado. Este processo pode servir igualmente para a medição da velocidade média do fluxo e, conseqüentemente, da vazão em uma tubulação, desde que o fluido a medir contenha partículas refletoras em quantidade suficiente, tais como sólidos ou bolhas de gás, e desde que a distribuição destas partículas dentro do fluido permitirá conclusões quanto à velocidade média do fluxo. Fig. 37 Medidor Ultra-Som a efeito Doppler no campo. Vejamos agora como é feita esta medição: 28

29 O emissor e o receptor de ultra-som acham-se alojados lado a lado, dentro de um cabeçote medidor. O sinal de medição com freqüência e amplitude constantes é transmitido do emissor para o vetor V, da velocidade do fluxo, no ângulo. A posição do emissor e do receptor é ajustada de tal forma que suas características direcionais formem um ângulo. Quando o sinal emitido incide numa partícula conduzida pelo fluxo, a reflexão faz sua freqüência alterar-se em: Em que: = freqüência de emissão; = ângulo de entrada do feixe; c = velocidade do som no fluido medido; V = velocidade média do fluido. Dessa forma, temos que a variação de freqüência F é diretamente proporcional à velocidade do fluido e, conseqüentemente, à vazão. A utilização do método de medição por efeito DOPPLER implica uma concentração mínima de 5% de partículas refletoras ou bolhas de ar dentro da corrente do fluido. Alterações na concentração de partículas não exercem influência sobre o resultado da medição. Medidores tipo VORTEX O efeito vortex pode ser observado no vibrar de fios ou cordas ao vento, ou ainda em uma bandeira que tremula. Os vortex gerados repetem-se num tempo inversamente proporcional à vazão. 29

30 Fig. 38 Medidor tipo Vortex. Nas aplicações industriais, pode-se medir a vazão de gases líquidos incorporando ao obstáculo reto sensores que percebam as ondas dos vortex e gerem um sinal em freqüência proporcional à vazão. Fig. 39 Funcionamento do Medidor tipo Vortex. Medidores de vazão por deslocamento positivo Medidores de vazão por deslocamento positivo são medidores volumétricos que medem a vazão pela passagem de uma discreta parcela do fluido por um volume precisamente conhecido. São instrumentos precisos e são usados para líquidos e gases e não precisam de alimentação elétrica para funcionar. A alta precisão permite que estes medidores sejam universalmente aceitos como padrão de transferência de custódia para postos de combustíveis, por exemplo, desde que devidamente instalados e calibrados. ATENÇÃO Devido ao pequeno espaçamento entre as partes móveis deste tipo de medidor, somente devem ser usados fluidos limpos, sendo recomendado o uso de filtros antes do medidor. 30

31 Exemplos de medidores por deslocamento positivo são: os pistões oscilantes, disco nutante, engrenagens ovais, rotativo e multi-pistões. Fig. 40 Exemplos de medidores por deslocamento positivo. Disco Nutante Este tipo de medidor é utilizado principalmente para medidores de vazão de água, sendo utilizado principalmente em residências. O líquido entra no medidor através da conexão de entrada, passa por um filtro indo ao topo da carcaça principal. O fluido então se movimenta para baixo, através da câmara de medição, indo até a base do medidor e daí a conexão da saída do medidor. Fig. 41 Medidor de Disco Nutante. O movimento do disco é controlado de tal forma que, quando o líquido entra na câmara de medição, impele o pistão de medição, o qual efetua um movimento de nutação completa em cada rotação. Estes movimentos são transmitidos por um conjunto de engrenagens ou acoplamento magnético ao indicador. Medidores Rotativos Este tipo de medidor de vazão aciona propulsores (rotores) internos. Sendo que sua velocidade de rotação será em função da velocidade do fluido através da câmara de medição. Três tipos básicos podem ser destacados: a) Rotores de lóbulos b) Palhetas corrediças 31

32 c) Palhetas Retráteis Os rotores lobulares são os mais utilizados para medições de vazões de gases. Estes dispositivos possuem dois rotores com movimentos opostos com a posição relativamente fixa internamente, a uma estrutura cilíndrica. Fig. 42 Medidor rotativo tipo rotor de lóbulos. A câmara de medição é formada pela parede do cilindro e a superfície da metade do rotor. Estando o rotor na posição vertical em determinado volume de gás, ficará retido no compartimento de medição. Como o rotor gira devido à pequena diferença de pressão entre a entrada e saída, o volume medido do gás é descarregado na base do medidor. Essa ação sucede-se quatro vezes em uma movimentação completa com os rotores em deslocamentos opostos e a uma velocidade proporcional ao volume do gás deslocado. Fig. 43 Detalhes do rotor de lóbulos. 32

33 Fig. 44 Fotos de medidores tipo rotor de lóbulos. Medidor com Rotores Funcionamento: Utiliza dois rotores, que são impelidos pelo líquido que passa. Um pick-up detecta os pulsos, onde cada pulso representa um volume conhecido. O fator K converte os pulsos em unidade de engenharia. Fig. 45 Funcionamento de medidor com rotores. Fig. 46 Detalhes internos de medidor com rotores. 33

34 Medição de vazão por área variável Rotâmetro são medidores de vazão por área variável nos quais um flutuador varia sua posição dentro de um tubo cônico, proporcionalmente à vazão do fluido. Basicamente, um rotâmetro consiste de duas partes: 1) Um tubo de vidro de formato cônico que é colocado verticalmente na tubulação, em que passará o fluido a ser medido e cuja extremidade maior fica voltada para cima. 2) No interior do tubo cônico, um flutuador que se moverá verticalmente, em função da vazão medida. Fig. 47 Rotâmetro. Princípios Básicos do Rotâmetro O fluido passa através no tubo da base para o topo. Quando não há vazão, o flutuador permanece na base do tubo e seu diâmetro maior é usualmente selecionado de tal maneira que o bloqueia na pequena extremidade do tubo, quase que completamente. Quando a vazão começa e o fluido atinge o flutuador, o empuxo torna o flutuador mais leve, porém como o flutuador tem uma densidade maior que a do fluido, o empuxo não é suficiente para levantar o flutuador. Com a vazão, surge também uma força de atrito, entre o fluido e o flutuador, que tende a levá-lo para cima, a chamaremos de força de arraste. Quando a vazão atinge um valor que faça a força de arraste ser maior que a força peso do flutuador, este começará a subir. Se o tubo fosse paralelo, o flutuador subiria até o topo; mas sendo cônico, a força de arraste diminui à medida que o flutuador sobe até estabilizar em uma nova posição (pois 34

35 aumenta a área disponível para a passagem do fluido). Qualquer aumento na vazão movimenta o flutuador para a parte superior do tubo de vidro e a diminuição causa uma queda a um nível mais baixo. Cada posição sua corresponde a um valor determinado de vazão e somente um. É somente necessário colocar uma escala calibrada na parte externa do tubo e a vazão poderá ser determinada pela observação direta da posição do flutuador. 12. Tipos de Flutuadores Os flutuadores podem ter vários perfis de construção. Na figura a seguir, podemos ver os tipos mais utilizados. Fig. 48 Flutuadores. Esférico Para baixas vazões, e pouca precisão, sofre uma influência considerável da viscosidade do fluido. Cilindro com bordo plana Para vazões médias e elevadas, sofre uma influência média da viscosidade do fluido. Cilindro com bordo saliente de face inclinada para o fluxo Sofre menor influência da viscosidade do fluido. Cilindro com bordo saliente contra o fluxo Sofre a mínima influência da viscosidade do fluido 12.1 Ponto de Leitura em Função do Formato do Flutuador Dependendo do formato do flutuador, temos um determinado ponto no qual devemos realizar a leitura. 35

36 Fig. 49 Pontos de Leitura em função do formato do Flutuador. Medidor tipo Coriolis Este medidor de vazão utiliza um fenômeno físico que envolve a inércia e a aceleração centrípeta. A vazão de uma tubulação é dividida em duas 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, existem eletroímãs que fazem os dois tubos oscilarem em suas freqüências naturais de vibração e cuja amplitude não ultrapassa alguns milímetros. Com o passar 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 em U. DICAS Este tipo de medidor pode ser utilizado para medições de fluxos de líquidos e gases, com ou sem sólidos em suspensão. Fig. 50 Medidor tipo Coriolis. A tecnologia Coriolis oferece muitas vantagens sobre as tecnologias tradicionais de medição volumétricas, tanto para líquidos como para gases. Medição de múltiplas variáveis: Taxa de vazão mássica Taxa de vazão volumétrica 36

37 Densidade Temperatura Alta precisão (+/-0.1%) e reprodutibilidade que significam melhoria na qualidade dos produtos e redução de desperdícios. Fácil instalação, porque não exige montagem especial, nem condicionamento da vazão e nem trechos retos são requisitados. Baixa manutenção por não ter partes móveis. Princípio de Funcionamento Vibração do tubo: O fluido do processo é dividido em duas partes, cada parte passando por um dos tubos do medidor Coriolis. Durante o funcionamento, uma bobina presa a um dos tubos recebe pulsos que fazem os tubos oscilarem para cima e para baixo, em oposição de um em relação ao outro. Fig. 51 Vibração do tubo de um medidor tipo coriolis. Geração do Sinal: O conjunto imã-bobina, chamado de pick-offs, é montado nos tubos. As bobinas são montadas de um lado do tubo e os imãs são montados no tubo oposto. Cada bobina movimenta-se através do campo magnético uniforme do imã adjacente. A voltagem gerada em cada bobina (pick-off) produz um sinal senoidal. O sinal senoidal é produzido devido ao movimento relativo de um tubo em relação ao outro. 37

38 Fig. 52 Geração de sinal de um medidor tipo coriolis. Sem vazão: Os tubos oscilam 180 graus de um em relação ao outro; quando um tubo move-se para baixo, o outro move-se para cima e vice-versa. Ambas as bobinas Pick-offs uma no lado de entrada e a outra no lado de saída do tubo geram uma onda senoidal de corrente continuamente quando os tubos estão vibrando. DICAS Quando não há vazão, as ondas senoidais estão em fase. Fig. 53 Medidor tipo coriolis em repouso. Com vazão: Efeito Coriólis Quando o fluido passa pelos tubos sensores, a Força de Coriolis é induzida. Esta força faz com que os tubos se encurvem um em oposição ao outro. Quando um tubo está se movendo para 38

39 cima durante metade do ciclo de vibração, o fluido circulante no interior do tubo se opõe ao movimento, pressionando o tubo para baixo. Tendo o momento ascendente do tubo passado pela curva, o fluido saindo do sensor resiste, tendo este movimento vertical reduzido. Isto causa o encurvamento do tubo. Fig. 54 Medidor tipo coriolis com vazão. Medidor de diafragma O medidor de diafragma ou sanfona é muito usado em aplicações domésticas e comerciais. Observe que, no medidor de diafragma, existem quatro compartimentos ou câmaras. Cada compartimento é preenchido ou esvaziado em seqüência. O resultado é um fluxo constante de gás. Fig. 55 Compartimentos do medidor de diafragma. Este medidor do tipo volumétrico por diafragma é apto para a medição de consumo doméstico de gás natural, GLP ou manufaturado. Suas características de fabricação asseguram alta confia- 39

40 bilidade operacional durante longos anos sem manutenção. Por ser de tamanho compacto, facilita seu manuseio e instalação. Características Funcionais O princípio de funcionamento consiste em um sistema de canais comunicantes entre as quatro câmaras que, enquanto se enchem, movimentam os diafragmas que coordenam a carga e descarga do sistema, acionando a válvula rotativa que movimenta o sistema de integração. 40