INSTRUMENTAÇÃO - VAZÃO INSTRUMENTAÇÃO - VAZÃO

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1 MEDIDORES DE VAZÃO 1. Medição por pressão diferencial (elementos primários) Placa de Orifício Tubo Venturi Bocal de Vazão Orifício Integral Tubo Pitot Tubo Annubar 2. Medição por área variável Rotâmetro 3. Medição através de velocidade Turbina 4. Medição por tensão induzida Medidor Magnético 5. Medição através de vórtices Medidor Vortex 6. Medidores Mássicos Efeito Coriolis Efeito Dispersão Térmica 7. Medição por Ultra-som Efeito doppler Por tempo de transito 8. Medição em canais abertos Calha Parschall Vertedores 9. Medição por deslocamento positivo Disco nutante Pistão oscilante Medidor rotativo CRITÉRIOS PARA ESCOLHA DE MEDIDORES DE VAZÃO Vazão Operacional Características do Fluido Características de Instalação Características de Operação Exatidão Rangeabilidade Facilidades de Comunicação Custo Facilidade de Instalação e Manutenção Confiabilidade 1

2 Vazão Volumétrica é a quantidade de volume de um fluido que escoa por um duto em unidade de tempo considerada. CONCEITO DE VAZÃO É a quantidade volumétrica ou gravimétrica de um fluido que escoa por um duto em unidade de tempo considerada. V Q = ou QM = t M t Importância da Medição Aplicações No Balanço de Materiais Transferência de Custódia Sistemas de Envase Vazão Gravimétrica é a quantidade de massa de um fluido que escoa por um duto em unidade de tempo considerada Conversão de Unidades de Vazão Volumétrica 2

3 Conversão de Unidades de Vazão Mássica MEDIÇÃO DE VAZÃO POR PRESSÃO DIFERENCIAL MEDIÇÃO DE VAZÃO POR PRESSÃO DIFERENCIAL A pressão diferencial é produzida por vários tipos de elementos primários colocados na tubulação de forma tal que o fluído passa através deles. A sua função é aumentar a velocidade do fluído diminuindo a área da seção em um pequeno comprimento para haver uma queda de pressão. A vazão pode então, ser medida a partir desta queda. 3

4 MEDIÇÃO DE VAZÃO POR TUBO 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. MEDIÇÃO DE VAZÃO POR ANNUBAR A barra sensora de pressão a jusante possui um orifício que está posicionado no centro do fluxo de modo a medir a pressão do fluxo a jusante. A barra sensora de pressão de montante possui vários orifícios, estes orifícios estão localizados criteriosamente ao longo da barra, de tal forma que cada um detecta a pressão total de um anel. Cada um destes anéis tem área da seção transversal exatamente igual às outras áreas anulares detectadas por cada orifício. Outra característica do elemento de fluxo tipo Annubar é que quando bem projetado tem capacidade para detectar todas as vazões na tubulação a qual está instalado, sendo a vazão total a média das vazões detectadas. 4

5 MEDIÇÃO DE VAZÃO POR VENTURI CARACTERÍSTICAS Excelente recuperação de pressão. Resistente à abras Custo elevado. Manutenção e instalação incômoda. Produz menor P que a placa de orifício (considerando mesmo diâmetro, mesmo fluido e mesma vazão). APLICAÇÕES TÍPICAS: Controles de combustão (vazão de ar) Tratamento de água (tubulações de grande diâmetro) Vazão de fluidos com sólidos em suspensão. MEDIÇÃO DE VAZÃO POR PRESSÃO DIFERENCIAL TIPO 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. Sua espessura varia em função do diâmetro da tubulação e da pressão da linha, indo desde 1/16 a 1/4. VANTAGENS Instalação fácil Econômica Construção simples Manutenção e troca simples DESVANTAGEM Alta perda de carga irrecuperável 5

6 MEDIÇÃO DE VAZÃO POR PRESSÃO DIFERENCIAL TIPO PLACA DE ORIFÍCIO Orifício concêntrico Vazão de líquidos, gases e vapor que não contenham sólidos em suspensão Orifíco excêntrico Vazão de fluído com sólidos em suspensão Orifício segmental Vazão de fluídos em regime laminar e com alta porcentagem de sólidos em suspensão MEDIÇÃO DE VAZÃO POR PRESSÃO DIFERENCIAL TIPO PLACA DE ORIFÍCIO Bordo Quadrado (Aresta viva) Usado em tubulações normalmente maiores que 6". Não usada em fluxo com baixos N de RD. Bordo Arredondado (Quadrante edge) Usado em fluídos altamente viscosos, Onde o N de RD inferior está em torno de 250. Bordo com entrada Cônica Usado para N de RD inferior é 25 Em condições severas de viscosidade. 6

7 MEDIÇÃO DE VAZÃO POR PRESSÃO DIFERENCIAL TIPO PLACA DE ORIFÍCIO Tomadas de Flange São as mais populares, os furos das tomadas já são feitos no próprio flange. Tomadas D e D/2 (Radius Taps) Usada em tubulações de 2" a 30" com Reynolds entre 8000 e e para b entre 0,15 e 0,75. MEDIÇÃO DE VAZÃO POR PRESSÃO DIFERENCIAL TIPO PLACA DE ORIFÍCIO Tomadas Vena Contracta Utiliza flanges comuns, sendo o centro da tomada de alta pressão entre 1/2 e 2D (em geral 1D) e o centro da tomada de baixa estará no ponto de pressão mínima, dependendo do b. Tomadas em canto (Corner Taps) São construídas no próprio flange e seu uso principal é em tubulações menores que 2", tendo como desvantagem a grande possibilidade de entupimento. 7

8 MEDIÇÃO DE VAZÃO POR PRESSÃO DIFERENCIAL TIPO PLACA DE ORIFÍCIO Tomadas de Tubulação (Pipe Taps) Possue o menor diferencial de pressão entre todas tomadas e perdem muita precisão devido a rugosidade do tubo. Tomadas em canto (Corner Taps) São construídas no próprio flange e seu uso principal é em tubulações menores que 2", tendo como desvantagem a grande possibilidade de entupimento. Fluido: Líquido (ao nível da tubulação) 8

9 Fluido: Líquido (abaixo da tubulação) Fluido: Vapor (abaixo da tubulação) 9

10 Fluido: Gás (acima da tubulação) TRANSMISSORES DE PRESSÃO, TEMPERATURA E VAZÃO MEDIÇÃO DE VAZÃO POR PRESSÃO DIFERENCIAL COM COMPENSAÇÃO Compensação da Temperatura e Pressão Onde: Q: Vazão compensada. Pa: Pressão estática absoluta do escoamento. Ta: Temperatura absoluta do escoamento (K). Q = K. K: Características de operação do fluido, elemento primário e instalação. P a. P T a 10

11 Compensação da Temperatura e Pressão Exemplo: Qmax: 30 Kg/h P(pressão à montante): 2,0 Kgf/cm2 Pressão diferencial: 200 mmh2o Temperatura de operação: 30 ºC Primeiro método: a) Cálculo do K: Pressão Absoluta: 2,0 Kgf/cm2 + 1,033 Kgf/cm2 = 3,033 Kgf/cm2 Temperatura Absoluta (K): 30 ºC = 303 K K = Q máx 30 K = Pa. P 3, , assim K = 21,2027 T 303 a b) Vazão corrigida para nova condição de operação: Nova pressão à montante: 2,8 Kgf/cm2 Nova temperatura de escoamento: 75º C Pressão Absoluta:2,8+1,033=3,833 Kgf/cm2 Temperatura Absoluta: 75 ºC = 348 K 3, Q' = 21,2027., então Q' = ,469 Kg/h Compensação da Temperatura e Pressão Exemplo: Qmax: 30 Kg/h P(pressão à montante): 2,0 Kgf/cm2 Pressão diferencial: 200 mmh2o Temperatura de operação: 30 ºC Segundo método: Q Q P P a1.t.t a2 3, , a2 a1 = = = 1 1,0489 Q 2 = 30 Kg/h.1,0489 = 31,469 Kg/h 11

12 Compensação da Temperatura e Pressão Exercício: Q max : 180 GPM P(pressão à montante): 35 PSI Pressão diferencial: 75"H 2 O Temperatura de operação: 28 ºC Obs.: 1 atm = 14,7 PSI Primeiro método: a)cálculo do K: Pressão Absoluta: Temperatura Absoluta (K): K=... b) Vazão corrigida para nova condição de operação: Nova pressão à montante: 28 PSI Nova temperatura de escoamento: 60 ºC Pressão Absoluta: Temperatura Absoluta: Q = Compensação da Temperatura e Pressão Exercício: Q max : 180 GPM P(pressão à montante): 35 PSI Pressão diferencial: 75"H 2 O Temperatura de operação: 28 ºC Obs.: 1 atm = 14,7 PSI Segundo método: a) Vazão corrigida para nova condição de operação: Nova pressão à montante: 28 PSI Nova temperatura de escoamento: 60 ºC Pressão Absoluta: Temperatura Absoluta: 12

13 MEDIÇÃO DE VAZÃO POR PRESSÃO DIFERENCIAL COM COMPENSAÇÃO SDCD Três entradas analógicas Painel Rearranjo Três pares de cabos Programação I/O SDCD Caixa de Junção T P DP TRANSMISSORES DE PRESSÃO, TEMPERATURA E VAZÃO MEDIÇÃO DE VAZÃO POR PRESSÃO DIFERENCIAL COM COMPENSAÇÃO SDCD TRANSMISSOR DE VAZÃO MULTIVARIÁVEL I/O SDCD 4-20 ma HART TriLoop DP P T QM Par Simples HART ma Painel de Rearranjo Caixa de Junção 13

14 Método Tradicional Tecnologia Multivariável Melhor Performance INSTRUMENTAÇÃO VAZÃO - ROTÂMETRO MEDIÇÃO DE VAZÃO TIPO ROTÂMETRO 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. 14

15 INSTRUMENTAÇÃO VAZÃO - ROTÂMETRO Condição de Equilíbrio: W = F a + E onde: W = Peso do flutuador F a = Força de arraste do fluido E = Empuxo exercido pelo fluido W = V F. γ F E = V F. γ f F a = Cd. γ f. A F. Substituindo os termos na expressão inicial e isolando a velocidade, temos: v = 2g. VF. Cd. γ ( γ γ ) f F. A F f INSTRUMENTAÇÃO VAZÃO - ROTÂMETRO Esférico Pouca precisão e para baixas vazões Sofre forte influência da viscosidade do fluido Flutuadores Cilïndrico com Bordo Plano Para vazões médias e elevadas Sofre influência média da viscosidade do fluido Cilïndrico com Bordo Saliente de Face Inclinada para o Fluxo Para vazões médias e elevadas Sofre pouca influência da viscosidade Cilïndrico com Bordo Saliente de Face contra o Fluxo Para vazões médias e elevadas Sofre mínima influência da viscosidade 15

16 INSTRUMENTAÇÃO VAZÃO - ROTÂMETRO Características Gerais Fluidos Gases, Líquidos e Vapor de viscosidade média a baixa. Vazão Líquidos: 0,01 cm 3 /min à 15 m 3 /min Gases: 0,3 cm 3 /min à 400 m 3 /min Diâmetro da Linha ¼ à 6 (6 à 150 mm) Características Gerais Precisão Depende do tamanho do rotâmetro e do tipo de flutuador. Pode variar entre ± 0,5 à 10% da escala. Custo Relativamente baixo Pressão Máxima de Operação 25 Kgf/cm 2 (tubo de vidro) 50 Kgf/cm 2 (tubos metálicos) INSTRUMENTAÇÃO VAZÃO - ROTÂMETRO Temperatura Máxima de Operação 200 ºC (tubo de vidro) 500 ºC (tubos metálicos) Material do Flutuador Deve ser compatível com as características de corrosão e abrasão do fluido, sendo o Inox 316 e o PVC os mais utilizados. Material do Tubo Borosilicato Temperado (transparentes) Inox ou Ferro fundido (blindados) Acessórios Contatos Magnéticos Instalação Vertical, sem necessidade de trecho reto. Conexões Flange e Rosca 16

17 INSTRUMENTAÇÃO VAZÃO - ROTÂMETRO Perda de Carga no Rotâmetro É constante ao longo de todo o curso do flutuador e depende do peso específico do fluido e das características do flutuador (peso, volume e área maior). Recalibração da Escala É possível, conhecendo-se o peso específico do flutuador, peso específico do fluido e temperatura de escoamento. Influência da Viscosidade Dependerá da forma do flutuador e da área de passagem. Principal Vantagem Indicação local, direta e linear Principal Desvantagem É a pior alternativa para transmissão e controle. INSTRUMENTAÇÃO VAZÃO - ROTÂMETRO MEDIÇÃO DE VAZÃO TIPO ROTÂMETRO 17

18 MEDIÇÃO DE VAZÃO TIPO DISCO DE NUTAÇÃO Este tipo de medidor é utilizado principalmente para medidores de vazão de água, sendo utilizado principalmente em resistências. 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 MEDIÇÃO DE VAZÃO TIPO LÓBULOS 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. 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 a pequena diferença de pressão entre a entrada e saída, o volume medido do gás é descarregado na base do medidor. Esta ação sucede-se 4 vezes em uma movimentação completa com os rotores em deslocamentos opostos e a uma velocidade proporcional ao volume do gás deslocado. MEDIÇÃO DE VAZÃO POR TURBINA A passagem do fluido moverá as aletas do rotor girando-o. A 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. A vazão pode ser determinada então pela totalização dos pulsos gerados. 18

19 INSTRUMENTAÇÃO VAZÃO - TURBINA Bobina Sensora Corpo do medidor MEDIÇÃO DE VAZÃO POR TURBINA Fator K É o coeficiente de vazão de cada Turbina e relaciona o número de pulsos gerados por unidade de volume. K pulso volume pulso frequencia seg = volume Vazão tempo Rotor MEDIÇÃO DE VAZÃO TIPO TURBINA CARACTERÍSTICAS: Utilizado para fluidos limpos em geral Precisão de 0,1 à 3% Escala linear Excelente repetibilidade Pressão de operação máxima: 200 kgf/cm2 Faixa de temperatura: à 250 ºC Range de vazão: 4 l/min à 150 m3/min Diâmetros de Tubulação: ¼ à 30 (760 mm) Trecho reto necessário: 10D (à montante) e 5D (à jusante) Acessório: Necessita de medidor (transmissor) Custo médio (considerando o conjunto e o diâmetro da linha) Pode ser utilizado em vazão bidirecional (altera k ) DESVANTAGENS: Desgaste das pás Travamento do rotor Inércia para baixas vazões Diâmetro D limitado Não é utilizado para baixo nº de Reynolds 19

20 MEDIÇÃO DE VAZÃO TIPO TURBINA Influência da Viscosidade Numa turbina ideal o valor de K seria uma constante independente da viscosidade do fluido medido, porém, à medida que a viscosidade aumenta, o fator K passa a ser uma função da viscosidade. MEDIÇÃO DE VAZÃO TIPO ELETROMAGNÉTICO. E B E = dvb (1) Q = πd 2 v/4 (2) Princípio: Lei de Faraday Quando um condutor se move com velocidade perpendicular a um campo magnético é induzida uma (1) em (2) diferença de potencial Q = πde/4b E = B. L. v v d onde: e = tensão gerada (volts) B = Constante densidade de fluxo magnético (wb/m 2 ) L = distância dos eletrodos (m) v = velocidade (m/s) E = Q. 4B/ πd E = Q. K Principio de funcionamento 20

21 MEDIÇÃO DE VAZÃO TIPO ELETROMAGNÉTICO. MEDIÇÃO DE VAZÃO TIPO ELETROMAGNÉTICO. O medidor de vazão eletromagnético utiliza um campo magnético com forma de onda quadrada em baixa freqüência, e lê o sinal de vazão quando o fluxo magnético está completamente saturado fazendo com que não ocorra influência no sinal devido a flutuações de corrente. Todos os detectores são ajustados de maneira que a relação da tensão induzida (E) pela densidade de fluxo magnético (B) seja mantida em um valor proporcional, somente à velocidade média do fluxo, independente do diâmetro, alimentação e freqüência. 21

22 MEDIÇÃO DE VAZÃO TIPO ELETROMAGNÉTICO Características: Tipo de Fluido: Líquidos com condutividade acima de 1mS/cm (água limpa, ácidos, polpa, lamas) Precisão: 0,5 à 1% D: 3 a 1200 mm Vazão Bidirecional (sempre com a linha cheia) Custo: Economicamente viável Manutenção: Limpeza e inspeção dos eletrodos Pressão Máxima: 350 bar Temperatura Máxima: 150 ºC (isolação das bobinas e revestimento) Acessórios/Material: Revestimento e Eletrodo (de acordo com o fluido) Instalação: - Trecho Reto: 5 à 10D à montante e 5D à jusante, - Aterramento do fluido em tubulações não metálicas Vantagens: - Não oferece perda de carga. - Não sofre influencia da densidade e viscosidade. - É a melhor opção para os fluidos citados. Desvantagens: - Não mede vazão de gases - Não mede vazão de fluidos isolantes, lubrificantes e hidrocarbonetos, MEDIÇÃO DE VAZÃO TIPO ELETROMAGNÉTICO. Observações: 1 - É de suma importância que a parede interna da tubulação não conduza eletricidade e que a parte do tubo ocupada pelo volume definido pelas bobinas não provoque distorções no campo magnético. 2 - As medições por meio de instrumentos magnéticos são independentes de propriedades do fluido, tais como a densidade, a viscosidade, a pressão, a temperatura ou mesmo o teor de sólidos. 3 - Que o fluxo a ser medido seja condutor de eletricidade. Tubo Flangeado (conversor integral)) 22

23 MEDIÇÃO DE VAZÃO TIPO ELETROMAGNÉTICO ATERRAMENTO MEDIÇÃO DE VAZÃO 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. 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. 23

24 MEDIÇÃO DE VAZÃO TIPO VORTEX MEDIÇÃO DE VAZÃO TIPO VORTEX Método de detecção dos vórtices As duas maiores questões referentes ao desenvolvimento prático de um medidor de vórtices são: a) Criação de um obstáculo gerador de vórtices (vortex shedder) que possa gerar vórtices regulares e de parâmetros totalmente estabilizados determinando a precisão do medidor. b) Projeto de um sensor e respectivo sistema eletrônico para detectar e medir a freqüência dos vórtices determinando os limites para as condições de operação do medidor. Um shedder com formato trapezoidal foi o que obteve um desempenho considerado ótimo. O corte trapezoidal proporciona excelente linearidade na freqüência de geração dos vórtices, além de extrema estabilidade dos parâmetros envolvidos. 24

25 MEDIÇÃO DE VAZÃO TIPO VORTEX Vantagens: - Baixa perda de carga. - Configuração manutenção simples -Não sofre influencia da densidade e viscosidade em larga faixa Desvantagens: - Sofre influência de vórtices provocados por vibração da linha. - Sofre influência de vórtices provocados por imperfeições da linha. Características: Tipo de Fluido: Líquidos e gases não incrustantes e não erosivos, vapor limpo. Precisão: 1% D: 12 a 300 mm Vazão Unidirecional (*) Custo: Equivalente ao conjunto Placa de Orificio e transmissor Perda de Carga: Inferior à Placa de Orifício (mesma vazão) Limites de Rd: à Instalação: - De tal forma que evite bolhas. - O fluido deve preencher totalmente a linha. -Trecho reto curto (4D e 2D) para tubos polidos. MEDIÇÃO DE VAZÃO TIPO VORTEX 25

26 MEDIÇÃO DE VAZÃO POR EFEITO 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 eletroimãs que fazem os dois tubos oscilarem em suas frequências naturais de vibração e cuja a 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. MEDIÇÃO DE VAZÃO POR EFEITO CORIOLIS. Efeito Corilolis (Gaspard Coriolis) Uma massa deslocando-se a uma velocidade em relação a um sistema rotacional é submetida a uma força conhecida como força de Corilolis. Fc = 2M. [w x v ] Onde: Fc = Força de Coriolis M = Massa w = Velocidade angular (rotação) v = Velocidade 26

27 MEDIÇÃO DE VAZÃO POR EFEITO CORIOLIS. MEDIÇÃO POR CORIOLIS SEM VAZÃO NO TUBO MEDIÇÃO POR CORIOLIS COM VAZÃO NO TUBO MEDIÇÃO POR CORIOLIS SINAL GERADO PELOS SENSORES SEM FLUXO NOS TUBOS 27

28 MEDIÇÃO POR CORIOLIS SINAL GERADO PELOS SENSORES SEM FLUXO NOS TUBOS MEDIÇÃO POR CORIOLIS SINAL GERADO PELOS SENSORES COM FLUXO NO TUBO 28

29 MEDIÇÃO DE VAZÃO POR EFEITO CORIOLIS. MEDIÇÃO DE VAZÃO POR ULTRASSOM 29

30 MEDIÇÃO DE VAZÃO POR ULTRASSOM MEDIÇÃO DE VAZÃO POR ULTRASSOM 30