Palavras-chave: Vazão, Fluidos, Escoa, Unidade de tempo, Medidor.

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1 Artigo apresentado na disciplina Engenharia de Automação de Processos Produtivos II do curso de Engenharia de Produção Da Universidade do Estado de Minas Gerais Campus Divinópolis MEDIÇÃO DE VAZÃO: METODOLOGIA E CONCEITOS Aila Joyce Liduário Cassiane Aparecida Santos Layna Liduário Silva Rafael Braga de Almeida Tainara Aparecida dos Reis RESUMO Vazão é a quantidade volumétrica ou gravimétrica de determinado fluido que passa por uma determinada seção de um conduto que pode ser livre ou forçado por uma unidade de tempo. Ou seja, vazão é a rapidez com a qual um fluido escoa, ou seja, quantidade de material transportado através de uma tubulação, por unidade de tempo. Ainda outra definição é a de um fluxo volumétrico. Um conduto livre pode ser um canal, um rio ou uma tubulação. Um conduto forçado pode ser uma tubulação com pressão positiva ou negativa. Este tipo de medição é utilizada nas seguintes aplicações: 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. Medidor de vazão é todo dispositivo que permite, de forma indireta, determinar o volume de fluido que passa através de uma dada seção de escoamento por unidade de tempo. O princípio de funcionamento de um medidor de vazão pode ser baseado nos fundamentos: Pesagem, Efeito da força de arrasto, Equação da Energia. Onde os medidores de vazão de fluxo são acessórios da instalação nos quais se reduz a seção de passagem do fluido para provocar um aumento da velocidade e consequentemente, uma redução de pressão. Para garantir que determinados ingredientes são fornecidos a uma taxa adequada durante o processo de mistura e para evitar certa vazão (elevada), que pode causar: Aumento da Pressão a nível perigoso, temperatura excessiva, vazamentos de fluidos e perca de materiais. Palavras-chave: Vazão, Fluidos, Escoa, Unidade de tempo, Medidor. Graduando em Engenharia de Produção Universidade do Estado de Gerais. rafaelbraga9@gmail.com

2 ABSTRAT Flow is the volumetric or gravimetric given amount of fluid flowing through a given section of a tube which can be free or forced by a unit time. That is, throughput is the speed with which a fluid flows, namely amount of material transported through a pipe per unit of time. Yet another definition is a volumetric flow. A free conduit can be a channel, a river or a pipe. A penstock can be a pipe with positive or negative pressure. This type of measurement is used in the following applications: ranging from simple applications such as the measurement of water flow in treatment stations and residences, up to industrial measurement and combustible gases, passing through more complex measurements. Flow meter device is all that allows, indirectly, to determine the volume of fluid passing through a given section of flow per unit time. The operating principle of a flow meter can be based on the fundamentals: Weighing, drag force Effect, Energy Equation. Where the flow flowmeters are accessories of the facility in which it reduces the passage section of the fluid to cause increased speed and consequently, a pressure reduction. To ensure that certain ingredients are supplied at an appropriate rate throughout the mixing process and to prevent certain flow rate (high), which may cause: Increased pressure to dangerous level, excessive temperature, fluid leaks and loss of materials Keywords: Flow, Fluid, seeps, unit of time, Meter. INTRODUÇÃO A hidrodinâmica é o estudo dos fluídos (líquidos e gases) em movimento. Uma das maneiras de analisar essa cinemática é através da vazão ou descarga, que consiste no volume de liquido que atravessa uma determinada seção por unidade de tempo. A vazão é a terceira grandeza mais medida nos processos industriais. As aplicações são muitas, 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. 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. Medidor de vazão é todo dispositivo que permite, de forma indireta, determinar o volume de fluido que passa através de uma dada seção de escoamento por unidade de tempo. O princípio de funcionamento de um medidor de vazão pode ser baseado em um dos seguintes fundamentos: Pesagem; efeito da força de arrasto; equação da Energia. Graduando em Engenharia de Produção Universidade do Estado de Gerais. rafaelbraga9@gmail.com

3 Onde os medidores de vazão de fluxo são acessórios da instalação nos quais se reduz a seção de passagem do fluido para provocar um aumento da velocidade e consequentemente, uma redução de pressão. CONCEITO Vazão é a quantidade volumétrica ou gravimétrica de determinado fluido que passa por uma determinada seção de um conduto que pode ser livre ou forçado por uma unidade de tempo. Ou seja, vazão é a rapidez com a qual um fluido escoa. APLICAÇÃO Este tipo de medição é utilizado para garantir que determinados ingredientes são fornecidos a uma taxa adequada durante o processo de mistura. E para evitar que a certa vazão (elevada) possa causar aumento da Pressão a nível perigoso, temperatura excessiva, vazamentos de fluidos. CRITÉRIOS PARA ESCOLHA DE MEDIDORES vazão: Segue abaixo alguns critérios fundamentais para a escolha certa dos medidores de Vazão Operacional; Características do Fluido; Características de Instalação; Características de Operação; Exatidão; Rangeabilidade; Facilidades de Comunicação; Custo; Facilidade de Instalação e Manutenção; Confiabilidade. Graduando em Engenharia de Produção Universidade do Estado de Gerais. rafaelbraga9@gmail.com

4 MÉTODOS DE MEDIÇÃO DE VAZÃO Para toda medição tem-se a metodologia necessária para sua realização. Segue a baixo os parâmetros utilizados para a medição de vazão.. Medição por Pressão Diferencial (Elementos Deprimogênios) Placa de Orifício, Tubo Venturi, Tubo Pitot, Bocal, etc.;. Medição por Área Variável Rotâmetro;. Medição através de Velocidade Turbina;. Medição através de Força Placa de Impacto;. Medição por Tensão Induzida Medidor Magnético; 6. Medição em Canais Abertos Calha Parchall Vertedores. VAZÃO VOLUMÉTRICA É definida como sendo a quantidade em volume que escoa através de certa secção em um intervalo de tempo considerado, ou seja, relação entre o volume e o tempo sendo assim a vazão é representada pela letra Q ou Qv. A forma mais simples para se calcular a vazão volumétrica é apresentada a seguir na equação mostrada: V= V t Onde: V= volume t = tempo As unidades volumétricas mais comuns são: m³/s, m³/h, l/h, l/min. 6 VAZÃO MÁSSICA É definida como sendo a quantidade em massa (Qm) de um fluido que escoa através de certa secção em um intervalo de tempo considerado. Qm= m t Onde: m = massa t = tempo As unidades de vazão mássica mais utilizada são: kg/s, kg/h, t/h, lb/h. Graduando em Engenharia de Produção Universidade do Estado de Gerais. rafaelbraga9@gmail.com

5 7 MEDIDORES DE DIFERENCIAL DE VAZÃO POR PRESSÃO O princípio de funcionamento baseia-se no uso de uma mudança de área de escoamento, através de uma redução de diâmetro ou de um obstáculo, ou ainda através de uma mudança na direção do escoamento. Estas mudanças de área ou de direção provocam uma aceleração local do escoamento, alterando a velocidade e, em consequência, a pressão local. A variação de pressão é proporcional ao quadrado da vazão. São medidores já bastante conhecidos, normalizados e de baixo custo. Estima-se que abranjam 0% de utilização na medição de vazão de líquidos. São compostos de um elemento primário e um elemento secundário. O elemento primário está associado à própria tubulação, interferindo com o escoamento e fornecendo o diferencial de pressão. O elemento secundário é o responsável pela leitura deste diferencial e pode ser um simples manômetro de coluna líquida, em suas diferentes versões, ou até mesmo um transdutor mais complexo, com aquisição e tratamento eletrônico do valor de pressão lido. 8 MEDIDORES ESPECIAIS DE VAZÃO Os principais medidores especiais de vazão são: medidores eletromagnéticos de vazão com eletrodos, tipo turbina, tipo Coriolis, Vórtex Mássico e Ultrassônico. Segue abaixo, respectivamente, seus procedimentos. a. Medidores Eletromagnéticos 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. Medidores magnéticos são, portanto ideais para medição de produtos químicos altamente corrosivos, fluidos com sólidos em suspensão, lama, água, polpa de papel. O medidor eletromagnético é um elemento primário de vazão volumétrica, independente da densidade e das propriedades do Figura: Medidor Eletromagnético fluido. Este medidor não possui obstrução, portanto, apresenta uma perda de carga equivalente a um trecho reto de tubulação. Para medição de Graduando em Engenharia de Produção Universidade do Estado de Gerais. rafaelbraga9@gmail.com

6 6 líquidos limpos com baixa viscosidade o medidor eletromagnético é uma opção. Se o líquido de medição tiver partículas sólidas e abrasivas, como polpa de mineração ou papel, ele é praticamente a única alternativa. Como o mesmo possui como partes úmidas apenas os eletrodos e o revestimento, são possíveis 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. 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 curto-circuitada pela parede condutiva do tubo, um isolante tal como teflon, borracha de poliuretano ou cerâmica. A escolha do material isolante é feita em função do tipo de fluido. b. Medidor Tipo Turbina O medidor é constituído basicamente por um rotor montado na tubulação. O rotor é provido de aletas que o fazem girar quando passa um fluido na tubulação do processo. Uma bobina captadora com um imã permanente é montada externamente fora da trajetória do fluido. Quando este se movimenta através do tubo, o rotor gira a uma velocidade determinada pela velocidade do fluido e pelo ângulo das Figura : Medidor Tipo Turbina lâminas do rotor. Á medida que cada lâmina passa diante da bobina e do imã, ocorre uma variação da relutância do circuito magnético e no fluxo magnético total a que está submetida a bobina. Verifica-se então a indução de um ciclo de tensão alternada. A frequência dos pulsos gerados desta maneira é proporcional á velocidade do fluido e a Vazão pode ser determinada pela medição / totalização de pulsos. i. Influência de Viscosidade Graduando em Engenharia de Produção Universidade do Estado de Gerais. rafaelbraga9@gmail.com

7 7 Como visto acima a frequência de saída do sensor é proporcional à vazão, de forma que é possível, para cada turbina, fazer o levantamento do coeficiente de vazão K, que é o parâmetro de calibração da turbina, expresso em ciclos(pulsos) por unidade de volume. Numa turbina ideal este valor K seria uma constante independente da viscosidade do fluido medido. Observa-se, entretanto, que à medida que a viscosidade aumenta, o fator K deixa de ser uma constante e passa a ser uma Figura: Parte interna do medidor função da viscosidade e da frequência de saída da turbina. c. Medidor por Efeito Coriolis É um instrumento de grande sucesso no momento, pois tem grande aplicabilidade desde indústria alimentícia, farmacêutica, química, papel, petróleo etc. e sua medição, independem das variáveis de processo - densidade, viscosidade, condutibilidade, pressão, temperatura, perfil do fluído. Resumidamente, um medidor Coriolis possui dois componentes: tubos de sensores de medição e transmissor. Os tubos de medição são submetidos a uma oscilação e ficam vibrando na sua própria frequência natural à baixa amplitude, quase imperceptível a olho nu. Quando um fluído qualquer Figura : Medidor por Efeito Coriolis. é introduzido no tubo em vibração, o efeito do Coriolis se manifesta causando uma deformação, isto é, uma torção, que é captada por meio de sensores magnéticos que geram uma tensão em formato de ondas senoidais. As forças geradas pelos tubos criam certa oposição à passagem do fluido na sua região de entrada (região da bobina), e em oposição auxiliam o fluído na região de saída dos tubos. O atraso entre os dois lados é diretamente proporcional à vazão mássica. Um RTD é montado no tubo, monitorando a temperatura deste, a fim de compensar as vibrações das deformações elásticas sofridas com a oscilação da temperatura. O transmissor é composto de um circuito eletrônico que gera um sinal para os tubos de vazão, alimenta e recebe o sinal de medida, propiciando saídas analógicas a 0 ma, de Graduando em Engenharia de Produção Universidade do Estado de Gerais. rafaelbraga9@gmail.com

8 8 frequência (0 à 0 mil Hz) e até digital RS e/ou RS 8. Estas saídas são enviadas para instrumentos receptores que controlam bateladas, indicam vazão instantânea e totalizada, ou para PLCs, SDCDs, etc. Podemos encontrar o modelo com tubo reto, neste modelo, um tubo de medição oscila sobre o eixo neutro A-B sendo percorrido por um fluido com velocidade v. Entre os pontos A-C as partículas do fluido são aceleradas de uma baixa para uma alta velocidade rotacional. A massa destas partículas aceleradas geram as forças de Coriólis (Fc) oposta à direção de rotação. Entre os pontos C-B as partículas do fluido são Figura : Parte interna do Medidor Coriolis desaceleradas o que leva a força de Coriólis no mesmo sentido da rotação. A força de Coriólis (Fc), a qual atua sobre as duas metades do tubo com direções opostas, é diretamente proporcional a vazão mássica. O método de detecção é o mesmo do sistema anterior. d. Medidor Tipo Vortex Quando um anteparo de geometria definida é colocado de forma a obstruir parcialmente uma tubulação em que escoa um fluido, ocorre a formação de vórtices; que se desprendem alternadamente de cada lado do anteparo, como mostrado na figura abaixo. Este é um fenômeno muito conhecido e demostrado em todos os livros de mecânica dos fluidos. Os vórtices também podem ser observados em situações frequentes do nosso dia a dia, como por exemplo: Movimento oscilatório das plantas aquáticas, em razão da correnteza; As bandeiras flutuando ao vento; As oscilações das copas das árvores ou dos fios elétricos quando expostas ao vento. A frequência de geração de vórtices não é afetada por variações na viscosidade, densidade, temperatura ou pressão do fluido. Figura 6: Medidor Tipo Vortex. Figura 7: Parte interna do medidor. Graduando em Engenharia de Produção Universidade do Estado de Gerais. rafaelbraga9@gmail.com

9 9 e. Medidor Ultrassônico Os medidores de vazão que usam a velocidade do som como meio auxiliar de medição podem ser divididos em dois tipos principais: Medidores a efeito dppler e Medidores de tempo de trânsito. Existem medidores ultrassônicos nos quais os transdutores são presos à superfície externa da tubulação, e outros com os transdutores em contato direto com o fluído. Os transdutores - emissores de ultrassons consistem em cristais piezoeléctricos que são usados como fonte de ultrassom, para enviar sinais acústicos que passam no fluído, antes de atingir os sensores correspondentes. Figura 8: Medidor Ultrassônico. i. Medidor a Efeito Doppler O efeito Doppler é aparente variação de frequência produzida pelo movimento relativo de um emissor e de um receptor de frequência. No caso, esta variação de frequência ocorre quando as ondas são refletidas pelas partículas móveis do fluído. Nos medidores baseados neste princípio (ver figura a seguir), os transdutores - emissores projetam um feixe contínuo de ultrassom na faixa das centenas de khz. Os ultrassons refletidos por partículas veiculadas pelo fluído têm sua frequência alterada proporcionalmente ao componente da velocidade das partículas na direção do feixe. Estes instrumentos são consequentemente adequados para medir vazão de fluídos que contêm partículas capazes de refletir ondas acústicas. ii. Medidor de Tempo de Trânsito O efeito Doppler é aparente variação de frequência produzida pelo movimento relativo de um emissor e de um receptor de frequência. No caso, esta variação de frequência ocorre quando as ondas são refletidas pelas partículas móveis do fluído. Nos medidores baseados neste princípio, os transdutores - emissores projetam um feixe contínuo de ultrassom na faixa das centenas de khz. Os ultrassons refletidos por partículas veiculadas pelo fluído têm sua frequência alterada proporcionalmente ao componente da velocidade das partículas na direção do feixe. Estes instrumentos são consequentemente adequados para medir vazão de fluídos que contêm partículas capazes de refletir ondas acústicas. Os dois tipos de medidores são complementares, já que o primeiro opera com líquidos que contêm partículas sólidas ou gasosas e o segundo requerem fluídos limpos. Em ambos os tipos de medidores, o perfil de velocidades da veia fluida deve ser compensado. Graduando em Engenharia de Produção Universidade do Estado de Gerais. rafaelbraga9@gmail.com

10 0 CONSIDERAÇÕES FINAIS Medidores de vazão se utilizam da medição da diferença de pressão em posições a montante e a jusante de uma placa de orifício para a determinação da vazão do fluído na tubulação. O objetivo deste trabalho foi verificar a influência da pressão de operação do transmissor sobre sua calibração feita à pressão atmosférica, o que pode se não considerado, deslocar a incerteza de medição de vazão para os valores permitidos por normas, e por tanto, inviabilizar sua utilização para transferência de custódia. REFERÊNCIAS Disponível em: < Acessado em 0 de agosto de 0. DELMEÉ G., Jean. Manual de medição de vazão. ª Edição 00; Editora Edgard Blücher Ltda. CASSIOLATO, César; ORELLANA, Evaristo. Medição de vazão. Artigo disponível em: Acesso em: 9 de Agosto de 0. Disponível em: < Acessado em 0 de agosto de 0. Graduando em Engenharia de Produção Universidade do Estado de Gerais. rafaelbraga9@gmail.com