Instrumentação Industrial Autor: Perez Instrumentos de Vazão 1
AULA VI - Instrumentos de Vazão Parte 1 Instrumentos de Vazão 2
Medidores de Vazão Instrumentos de Vazão 3
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Medidores baseados em diferencial de pressão: Venturi Coeficiente de descarga estável (vazão real/vazão teórica); Baixa perda de carga; Instrumentos de Vazão 5
Medidores baseados em diferencial de pressão: Venturi Instrumentos de Vazão 6
Medidores baseados em diferencial de pressão: Venturi Tipos de tubo Venturi Os três tipos mais utilizados de tubo Venturi são: Clássico longo Clássico curto Retangular Instrumentos de Vazão 7
Medidores baseados em diferencial de pressão: Venturi Clássico longo O difusor aumenta progressivamente até igualar-se ao diâmetro da tubulação. Difusor Instrumentos de Vazão 8
Medidores baseados em diferencial de pressão: Venturi Clássico curto O tipo curto tem o difusor truncado. Instrumentos de Vazão 9
Medidores baseados em diferencial de pressão: Venturi Retangular O tipo retangular é utilizado em dutos de configuração retangular como os utilizados para ar em caldeira a vapor. Instrumentos de Vazão 10
Medidores baseados em diferencial de pressão: Venturi Vantagens boa precisão (± 0,75%); resistência a 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 somente 0 a 20% do P. Instrumentos de Vazão 11
Medidores baseados em diferencial de pressão: Venturi Desvantagens custo elevado (20 vezes mais caros que uma placa de orifício); dimensões grandes e incômodas; dificuldade de troca uma vez instalado. Instrumentos de Vazão 12
Medidores baseados em diferencial de pressão: Dall Flow Tube Em época mais recente foi desenvolvido um dispositivo conhecido como tubo de DALL FLOW TUBE, para proporcionar uma recuperação de pressão muito maior do que a obtida por um tubo VENTURI. Instrumentos de Vazão 13
Características Medidores baseados em diferencial de pressão: Dall Flow Tube Para tubulações de diâmetro pequeno, o limite do número de REYNOLDS para utilização do DALL FLOW TUBE é 50.000. Para tubulações com diâmetros superiores, o número de REYNOLDS é ilimitado. Re = V.D ν Re = DVρ µ V: velocidade (m/s), :ט viscosidade cinemática (m 2 /s), D: diâmetro (m), µ: viscosidade absoluta ou dinâmica (cp) Instrumentos de Vazão 14
Medidores baseados em diferencial de pressão: Dall Flow Tube Características Não utilizável para fluidos contendo sólidos, o qual sedimenta-se na garganta ovalada e causa erosão no canto vivo. A tomada de alta pressão do tubo de DALL, encontra-se localizada na entrada da parte convergente do tubo. A tomada de baixa pressão encontra-se localizada no final do cone convergente, gargalo início do cone divergente. L H Instrumentos de Vazão 15
Medidores baseados em diferencial de pressão: V-Cone Fabricante: McCrometer Instrumentos de Vazão 16
Medidores baseados em diferencial de pressão: V-Cone Funcionamento do V-Cone: Um diferencial de pressão é obtido através de um cone colocado no centro da tubulação A vazão é obtida através da leitura do diferencial de pressão entre os seguintes pontos: A montante do cone, na parede do medidor A jusante do cone, no seu centro Instrumentos de Vazão 17
Medidores baseados em diferencial de pressão: V-Cone Não necessita de trechos retos Diâmetros compreendidos entre ½ à 72 ; Rangeabilidade 10:1 Maior estabilidade de medição (medição menos ruidosa); H L Instrumentos de Vazão 18
Medidores baseados em diferencial de pressão: V-Cone Não necessita de manutenção Alta acurácia (0,5%) e repetibilidade (0,1%) Pequena perda de carga permanente Não possui partes móveis Instrumentos de Vazão 19
Medidores baseados em diferencial de pressão: Annubar Fabricantes: Dieterich, Emerson Faixa de diâmetros: 2 à 72 ; Baixa perda de carga; Instrumentos de Vazão 20
Medidores baseados em diferencial de pressão: Annubar A barra sensora de pressão a montante possui vários orifícios. Estes orifícios estão localizados criteriosamente ao longo da barra, de tal forma que uma média do perfil da pressão total a montante seja medida. 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. Instrumentos de Vazão 21
Medidores baseados em diferencial de pressão: Annubar Instalação: Instrumentos de Vazão 22
Medidores baseados em diferencial de pressão: Annubar Instrumentos de Vazão 23
Medidores baseados em diferencial de pressão: Annubar Acurácia: + 1% Rangeabilidade: 10:1 Instrumentos de Vazão 24
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Medidores baseados em diferencial de pressão: Tubo de Pitot O annubar, historicamente, foi desenvolvido a partir do tubo de Pitot. Foi concebido por Henry Pitot em 1732; Quando um obstáculo é colocado no centro de uma tubulação e é mantido estacionário, o fluido começa a perder velocidade quando se aproxima do corpo. A velocidade é zero quando atinge o alvo (ponto de estagnação). Quando o fluido perde energia cinética, ele ganho em energia de pressão estática. Pela medição de diferença de pressão entre a pressão estática normal da linha e a pressão no ponto de estagnação, acha-se a velocidade do fluido e, conseqüentemente, sua vazão. O tubo de Pitot é uma haste de inserção para medir o perfil de velocidade ou a vazão. Instrumentos de Vazão 26
Medidores baseados em diferencial de pressão: Tubo de Pitot Conversão de energia cinética em pressão Instrumentos de Vazão 27
Medidores baseados em diferencial de pressão: Tubo de Pitot v P = C ( P P) t ρ P t : Pressão Total P: Pressão estática ρ: massa específica Pt P = gz + + gz = por massa ρ 2 ρ 2 2 2 2 ρ v Pt P = por volume 2 Pt P Pt P v= C Q= Av= AC ρ ρ 2 2 2 P v P v mv ρv v Instrumentos de Vazão 28
Medidores baseados em diferencial de pressão: Tubo de Pitot Instrumentos de Vazão 29
Medidores baseados em diferencial de pressão: Tubo de Pitot (múltiplas aberturas) É o annubar Velocidades Médias Pressão Média a montante Pressão média a jusante Instrumentos de Vazão 30
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Vortex: ASME MFC-6M Measurement of fluid flow in pipes using vortex flowmeters ; Baseado na relação da vazão com a freqüência de formação de vórtices. Instrumentos de Vazão 32
Vortex: Simulação da formação de Vórtices Instrumentos de Vazão 33
Vortex: O corpo de obstrução gera pares de vórtices e a freqüência de formação dos pares de vórtices é proporcional à velocidade do fluido. Número adimensional de Strouhal (St): St = d. v f, Q = A.v, d Ad Q = f. A. Q B. f St = Q = K. St f f:freqüência de formação de vórtices d:diâmetro interno da tubulação B: fator do sensor O número de St se mantém constante para faixas amplas do número de Re, logo podemos afirmar que St não depende da massa específica e da viscosidade. Instrumentos de Vazão 34
Vortex: Os vórtices geram esforços laterais no corpo de obstrução que são sentidos por um sensor piezelétrico acoplado à base do corpo de obstrução. O sensor piezelétrico transforma os esforços laterais em pulsos elétricos (pressão em carga elétrica), que são totalizados e associados a uma vazão através do fator K do medidor. Fator K: número de pulsos gerados e volume do fluido que passou pelo medidor em um período de medição (volume/pulsos). Instrumentos de Vazão 35
Vortex: Instrumentos de Vazão 36
Vortex: Características gerais: - Rangeabilidade: 1:15 à 1:30; - Limites de temperatura: -200 à 430 C; - Limites de diâmetro: ½ à 12 ; - Fabricantes: Foxboro, Rosemount, Yokogawa. - Sensível à vibração da tubulação Não integrado Instrumentos de Vazão 37
Vortex: Acurácia: ±0,5 a ±2% Instrumentos de Vazão 38
Vortex: Restrições: - Em vazões muito baixas há corte de sinal devido a perda de formação dos vórtices; - Evitar fluxo pulsante; Instrumentos de Vazão 39
Vortex: Recomendações de instalação Trecho reto a montante do sensor igual ao requerido por uma placa de orifício de β igual a 0,7; 30D a jusante de uma válvula de controle; Quando instalado com o fluido descendo, uma elevação a jusante é recomendada; Instrumentos de Vazão 40
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Medidor Mássico Coriolis ISO 10790 "Measurement of fluid flow in closed conduits - Guidance to the selection, installation and use of Coriolis meters; ASME MFC-11M "Measurement of fluid flow by means of Coriolis mass flowmeters ; Instrumentos de Vazão 42
Medidor Mássico Coriolis O sensor de Coriolis pode ser de tubo único ou 2 tubos em paralelo, direto ou em anel ou, ainda de outras formas. Instrumentos de Vazão 43
Medidor Mássico Força de Coriolis Como se manifestaria a força coriolis para uma pessoa que tentasse caminhar do centro para a periferia sobre um plano dotado de uma velocidade angular ω? Instrumentos de Vazão 44
Medidor Mássico Força de Coriolis Instrumentos de Vazão 45
Medidor Mássico Coriolis Baseado na força de Coriolis, que se forma quando uma determinada massa flui em um tubo que vibra a uma determinada freqüência. Se fosse colocado um tubo para guiar uma bola lançada do centro de um disco em rotação ω até a borda do disco, a bola apoiaria-se sobre a parede do tubo. Essa força é a força de Coriolis. F = 2m X v C ω Fc. ω X -Fc v sentido centro v sentido borda Instrumentos de Vazão 46
Medidor Mássico Coriolis As forças de inércia coriolis também aparecem quando um fluido percorre uma tubulação que vibra na freqüência ω, proporcionalmente à massa que está escoando, deformando elasticamente o tubo. Instrumentos de Vazão 47
Medidor Mássico Coriolis Tomando um elemento de massa dm: Instrumentos de Vazão 48
Medidor Mássico Coriolis O tubo em oscilação exerce uma força sobre o fluido que, por sua vez, reage com uma força de igual intensidade e sentido contrário chamada de força de coriolis. F = C 2δ mωv F C = 2ωv ρa x W = ( Av)ρ F = 2ωρAv x F = 2ω W x x = L F = 2ω WL C TOTAL C A medição direta ou indireta da força de coriolis exercida pelo fluido sobre o tubo em vibração, fornece a medição da vazão mássica. C Instrumentos de Vazão 49
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Medidor Mássico Coriolis A bobina central tem como função manter o sensor em vibração. A menor força requerida para isso está na freqüência de oscilação do conjunto. Quando houver fluxo pelo medidor de Coriolis, duas forças opostas aparecem: a porção do fluido que se aproxima da parte central do medidor e a porção do fluido que se afasta desse ponte central. Essas duas forças opostas criam um conjugado que provoca uma torção sobre os tubos do medidor. Instrumentos de Vazão 51
Medidor Mássico Coriolis Força de Coriolis que atua sobre uma unidade de comprimento do tubo. Instrumentos de Vazão 52
Medidor Mássico Coriolis: Instrumentos de Vazão 53
Medidor Mássico Coriolis Através de bobinas sensoras localizadas na entrada e na saída do medidor, mede-se a distorção sofrida pelo tubo na passagem do fluido pelo sensor em vibração. A defasagem entre os dois sinais é proporcional a vazão mássica. A força de Coriolis, e conseqüentemente a distorção do tubo, só existe se tivermos vazão e movimento de oscilação. Instrumentos de Vazão 54
Medidor Mássico Coriolis Instrumentos de Vazão 55
Medidor Mássico Coriolis = 2. ω. W. x F C ω : frequência angular W : massa x : distorção do tubo Instrumentos de Vazão 56
Medidor Mássico Coriolis O principio de Coriolis pode ser aplicado a um medidor formado por um tubo em U, animado de um movimento oscilatório percorrido por um fluido a vazão constante. Em um curto elemento de tempo, o tubo pode ser considerado em movimento de rotação; Quando o elemento do fluxo se afasta do centro de rotação, a força de Coriolis se dá em direção contrária a força quando este elemento retorna ao centro de rotação. Cria-se dessa forma um conjugado que acaba provocando a torsão no tubo em U. Instrumentos de Vazão 57
Medidor Mássico Coriolis = 2. ω. W. x τ F C = 2. ω. W. x. d τ = kθ k θ = 2. ω. W. x. d Onde θ é a defasagem entre entrada e saída Instrumentos de Vazão 58
Medidor Mássico Coriolis: Relaciona-se a força de Coriolis com a distorção que ocorre no tubo com a variação da vazão. Esta distorção é identificada na forma de variação de fase entre os pontos de sensoriamento. Instrumentos de Vazão 59
Medidor Mássico Coriolis: Instrumentos de Vazão 60
Medidor Mássico Coriolis: Instrumentos de Vazão 61
Medidor Mássico Coriolis: Instrumentos de Vazão 62
Medidor Mássico Coriolis: O medidor de Coriolis também pode ser utilizado como medidor de massa específica ou de densidade. O medidor de Coriolis opera normalmente em sua freqüência de ressonância. f R = 1 C 1 C = 2π m + m 2π m + ρ V T F T F T A freqüência pode ser medida pelo pickup através do período de oscilação. onde V T é o volume do sensor (tubo) que é constante, C é a constante do medidor Instrumentos de Vazão 63
Medidor Mássico Coriolis: Temperatura: -100 o C até 180 o C (típico); -240 o C até 230 o C (sob encomenda); Rangeabilidade: vazão (até 50:1); densidade (0,3 até 5,0); Acurácia: - Líquido (±0.10% até ±0.50 % da vazão nominal); - Gás (±0.50% até ±1.0 % da vazão nominal); - Densidade (±0.0005 até ±0,004); Dimensões: 1/2" até 10". Dispensa o uso de compensação de densidade (pressão e temperatura) Imune a variações de composição da carga Instrumentos de Vazão 64
Medidor Mássico Coriolis: Aplicações: - Fechamento de balanço de massa; - Fluidos viscosos; - Medição Multifásica (líquido-líquido, líquido com pequena concentração de gás) - Ausência de trechos retos; Cuidados: - Alta perda de carga; - Dependendo do serviço, prever bloqueio e bypass para manutenção. Fabricantes: - Micromotion, Yokogawa, Endress- Hauser, Khrone Instrumentos de Vazão 65
Ultrassônico ASME MFC-5M "Measurement of liquid flow in closed conduits using transit-time ultrassonic flowmeters ; AGA Report No. 9 Measurement of gas by multipath ultrassonic meters ; Baseado na relação entre vazão e o tempo de trânsito de um sinal acústico entre um emissor e um receptor. Instrumentos de Vazão 66
Ultrassônico Em um determinado instante, a diferença entre a velocidade aparente do som sobre um líquido em movimento e a velocidade do som sobre o mesmo líquido em repouso, é diretamente proporcional a velocidade instantânea do líquido. Com a velocidade obtida, a vazão volumétrica é calculada a partir da área da seção transversal do duto. Q = Av Instrumentos de Vazão 67
Ultrassônico Q = Av Instrumentos de Vazão 68
Ultrassônico Abordagem diferencial de tempo c 0 : velocidade sônica no fluido em repouso t AB = L c AB = L C.cosϕ 0 + Vm t BA = L c BA = L C0 Vm.cosϕ c 0 C 0 v m Instrumentos de Vazão 69
Instrumentos de Vazão 70 Ultrassônico L V C t m BA.cosϕ 1 0 = L V C t m AB.cosϕ 1 0 + = L V L V C L V C t t m m m BA AB ϕ ϕ ϕ cos. 2.cos.cos 1 1 0 0 = + = = = BA AB BA AB m t t t L t t L V ϕ cosϕ 2 1 1 2cos
Ultrassônico Abordagem diferencial de freqüência (efeito doppler) f f AB BA = = 1 C0 Vm.cosϕ = + t L AB 1 C0 Vm.cosϕ = t L BA f V AB m f AB = C + V L K f L =. 2.cosϕ 0 cosϕ C m. 0 ( f f ) AB Vm.cosϕ = L BA 2V m. cosϕ L Instrumentos de Vazão 71
Ultrassônico V m = Para o caso de transmissor não acoplado diretamente ao fluido de processo, observa-se que o sinal acústico sofre a influência do material de proteção; t 0 é o tempo de trânsito da onda sonora no material entre o transmissor e o fluido (do sensor até chegar ao fluido). ( t ) BA t AB ( t t )( t ) L. 2.cosϕ t AB 0. BA 0 Instrumentos de Vazão 72
Ultrassônico A vazão volumétrica pode ser representada por: n Q = S. A. i= 1 w V i. i i =1 i = 4 - A é a seção reta da região de medição; - w i é o fator de ponderação do feixe acústico i, que é dependente da geometria da seção de medição e da localização do feixe acústico; - S é o fator de correção devido a incerteza do perfil de velocidade (reduz sua influência com o aumento de i ). - V i : velocidade do feixe i Instrumentos de Vazão 73
Ultrassônico Fabricantes de referência: - Khrone, Caldon Características: (ref: Khrone) - Faixas de diâmetro: 1 até 80 ; - Acurácia: <±0,15% à 5% (líquidos) à <±2% (gases) do valor medido; - Pressão de projeto: até 250 bar (líquidos) e 40 bar (gases); - Temperatura de projeto: -60 à 120 0 C (líquidos) e 25 à 180 0 C (gases). Instrumentos de Vazão 74
Ultrassônico Cuidados: - Alinhamento (distância e ângulo de inclinação entre os emissores e receptores); - Inadequado para fluidos com sólidos em suspensão e sistemas bifásicos; - Garantir trecho reto de modo a evitar distúrbio no perfil de escoamento (varia de 10D à 50D); - Degradação devido a corrosão, erosão e depósitos de sujeira. Instrumentos de Vazão 75
Ultrassônico Vantagens Como a medição de vazão ultra-som é feita, geralmente, sem contato com o fluido não há criação de turbulência ou perda de carga elevada, que era causada pelos medidores de vazão com placas de orifício, por exemplo. Possibilita a medição de vazão de fluidos altamente corrosivos, líquidos não condutores, líquidos viscosos e água. Precisão 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. Instrumentos de Vazão 76
Ultrassônico 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. Desvantagens Custo elevado na aplicação em tubos de pequenos diâmetros. Os medidores são sensíveis a presença de sólidos ou bolhas de ar em suspensão ou falta de homogeneidade que podem distorcer a propagação de ondas sonoras. Instrumentos de Vazão 77
Rotâmetros (medidores de área variável): Baseado no princípio do equilíbrio de forças que atua sobre um flutuador ao ser inserido no seio do escoamento; Instrumentos de Vazão 78
Rotâmetros (medidores de área variável): A área de passagem oferece resistência à vazão e a queda de pressão do fluido começa a aumentar. Quando a pressão diferencial somada ao efeito de empuxo do líquido excede a pressão devido ao peso do flutuador, então o mesmo sobe e flutua na corrente fluida. Instrumentos de Vazão 79
Rotâmetros (medidores de área variável): No equilíbrio, o peso do flutuador é compensado pela força que o fluido exerce sobre a superfície do flutuador em uma determinada seção do rotâmetro. O ponto de equilíbrio indica a vazão na escala graduada; P deslocador = E + P A Instrumentos de Vazão 80
Rotâmetros (medidores de área variável): A maioria dos rotâmetros são insensíveis à viscosidade. Alguns são sensíveis e, nesse caso, temos uma curva do fabricante que relaciona a vazão com a viscosidade. Instrumentos de Vazão 81
Rotâmetros (medidores de área variável): Aplicado normalmente em linhas de pequenos diâmetros (abaixo de 2 ) em serviços não críticos. Muito utilizado em laboratórios, sistemas auxiliares de máquinas (lubrificação, selagem, refrigeração) e sistemas de condicionamento de analisadores. Acurácia: ±0,5 à ±4%; Fabricantes: Brooks, Khrone, Yokogawa. Instrumentos de Vazão 82
Medidor Mássico: Térmico: Baseado na relação entre vazão e a dissipação térmica entre uma fonte quente e um detector de temperatura; Q e θ medidos, Cp conhecido vazão mássica obtida Utilizado em vazões baixas ou como detector de fluxo; Fabricante: Fluid Components Intl (FCI)... Q = mc p θ Instrumentos de Vazão 83
Medidor Mássico: Térmico: Outra forma de implementação: Instrumentos de Vazão 84
Deslocamento Rotativo: Baseado na relação entre vazão e o volume que é deslocado em função do movimento dos rotores; Acurácia: ±0,5 à ±1%; Utilizado mais como totalizador em sistemas de carregamento; Fabricante: Oval. Instrumentos de Vazão 85
Deslocamento Rotativo: Fluidos limpos; Diâmetros reduzidos; Faixa de pressão: até 55 bar; Limites de temperatura: -30 à 120 C; Instrumentos de Vazão 86
Turbina: Baseado na relação proporcional entre velocidade média linear do escoamento e a velocidade angular do rotor; Freqüência dos pulsos de saída é proporcional à rotação da turbina; Fator K da turbina (pulsos/litro, pulsos/galão); Instrumentos de Vazão 87
Turbina: Instrumentos de Vazão 88
Turbina: Acurácia: ±0,1 à ±0,5; Elevada rangeabilidade > 10:1; Requer comprimento de trecho reto à montante e jusante; Interessante instalar retificadores de fluxo Instrumentos de Vazão 89
Turbina: Instrumentos de Vazão 90
Turbina: Instrumentos de Vazão 91
Turbina: Faixa de temperatura: -268 à 454 C; Pode ser utilizado em fluidos viscosos; Faixa típica de diâmetros: ½ à 12 ; Sugestão para instalação: S: Filtro FS: Retificador de fluxo Instrumentos de Vazão 92
Turbina: Aferição Devido a precisão exigida para a venda de produtos é necessário um sistema de aferição que permite determinar freqüentemente e em operação o fator K de calibração dos medidores. Para isso são fornecidos provadores: seções de volumes conhecidos; O medidor cujo fator deve ser determinado é alinhado com o respectivo provador; O líquido passando pelo provador desloca uma esfera perfeitamente ajustada ao diametro interno do provador; A esfera ao passar pelo detector de entrada dispara a contagem de pulsos da turbina; A esfera ao passar pelo detector de saída cessa a contagem; O número de pulsos obtidos pelo volume conhecido define o valor do fator K. Instrumentos de Vazão 93
Medidor Magnético: O princípio de medição é baseado na lei de Faraday que diz que: Quando um condutor se move dentro de um campo magnético, é produzida uma força eletromotriz (f.e.m.) proporcional a sua velocidade. E = B. D. v x 10-8 [V] Onde v: Velocidade do fluido em cm/s B: Campo magnético em Gauss D: Diâmetro da tubulação em cm Instrumentos de Vazão 94
Medidor Magnético: Instrumentos de Vazão 95
Medidor Magnético: Instrumentos de Vazão 96
Medidor Magnético: Instrumentos de Vazão 97
Medidor Magnético: 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 4 Não tem perda de carga (não intrusivo) Instrumentos de Vazão 98
Medidor Magnético: Instrumentos de Vazão 99
Medidor Magnético: Instrumentos de Vazão 100
Tabela de Medição de Vazão: Instrumentos de Vazão 101
Tabela de Medição de Vazão: Instrumentos de Vazão 102