1. INTRODUÇÃO A medição de vazão é uma das tarefas mais importantes em vários processos industriais como de papel e celulose, no setor alimentício, água e esgoto, energia e principalmente nos setores químico e petroquímico onde possuem um papel fundamental sobre a receita e a produtividade da empresa. Características físicas tais como estado da matéria, viscosidade, densidade, temperatura, velocidade média, além do tipo de medida desejada, restrições mecânicas, processo, meio de medição, número de Reynolds e outros irão pesar decisivamente na seleção do melhor método de medida de vazão. De uma maneira geral a vazão pode ser definida como vazão volumétrica e vazão mássica. A vazão volumétrica trata do fluxo de um determinado volume em um intervalo de tempo, enquanto a vazão mássica trabalha com o fluxo de uma massa em um determinado intervalo de tempo. Assim: Enquanto a primeira é dada em metros cúbicos por segundo (m3/s), litros por segundo (l/s) e outros, a segunda é dada em quilos por segundo (kg/s), toneladas por hora (t/h) e outras. No entanto, uma vazão pode ser relacionada à outra, uma vez que a massa está relacionada ao volume, através da densidade. Dessa forma, tem-se: A maioria dos medidores parte da medida da velocidade do fluído ou da variação da energia cinética para determinar o valor da vazão. A velocidade, por sua vez, depende da diferença de pressão atuante sobre o fluído que atravessa uma tubulação, um canal ou um conduto. Uma vez definida a área da seção transversal, dada por A, pode-se obter a vazão através da velocidade média do fluído, v. 1
Tipos de Escoamento Regime Laminar Se caracteriza por um escoamento em camadas planas ou concêntricas, dependendo da forma do duto, sem passagens das partículas do fluido de uma camada para outra e sem variação de velocidade, para determinada vazão. Regime Turbulento Se caracteriza por uma mistura intensa do líquido e oscilações de velocidade e pressão. O movimento das partículas é desordenado e sem trajetória definida. Número de Reynolds O engenheiro e cientista inglês Osborne Reynolds descobriu que, ser um escoamento laminar ou turbulento, depende apenas da relação entre as forças inerciais e as forças de origem viscosa (arraste e fricção). Considerando ainda velocidade média do escoamento (v) e uma dimensão característica (D), resulta em um número adimensional denominado número de Reynolds: Onde μ é a viscosidade e ρ é a densidade. A dimensão característica é quatro vezes o raio hidráulico dado pela relação entre área da seção e o perímetro molhado que se encosta à parede do tubo ou canal. Para tubulações pressurizadas a dimensão característica é o seu próprio diâmetro. Vale lembrar que m/ρ é a chamada viscosidade cinemática. Observação: Na prática, se Re > 2.320, o fluxo é turbulento, caso contrário é sempre laminar. Nas medições de vazão na indústria, o regime de escoamento é na maioria dos casos turbulento com Re > 5.000. 2
Distribuição de Velocidade em um Duto Em regime de escoamento no interior de um duto, a velocidade não será a mesma em todos os pontos. Será máxima no ponto central do duto e mínima na parede do duto. Regime Laminar É caracterizado por um perfil de velocidade mais acentuado, onde as diferenças de velocidades são maiores. Regime Turbulento É caracterizado por um perfil de velocidade mais uniforme que o perfil laminar. Suas diferenças de velocidade são menores. Observação: Por estas duas fórmulas percebe-se que a velocidade de um fluido na superfície da seção de um duto é zero (0). Podemos entender o porque da velocidade nas paredes da tubulações considerando também o atrito existente entre o fluido e a superfície das tubulações. 3
2. CONCEITO FÍSICO BÁSICO PARA MEDIÇÃO Viscosidade É definida como sendo a resistência ao escoamento de um fluido em um duto qualquer. Esta resistência provocará uma perda de carga adicional que deverá ser considerada na medição de vazão. Viscosidade absoluta ou dinâmica Define-se como sendo o atrito interno num fluido, que se opõe ao movimento relativo de suas moléculas e ao movimento de corpos sólidos que nele estejam. É representada pela letra grega μ (mi). Viscosidade cinemática É a relação entre a viscosidade absoluta e a massa específica de um fluido, tomados à mesma temperatura. É representada pela letra ν (ni). 3. TIPOS E CARACTERÍSTICAS DOS MEDIDORES Existem três tipos fundamentais de medidores de vazão: indiretos, diretos e especiais. 4
4. MEDIÇÃO 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 do líquido, provocando uma queda de pressão. Relacionando essa perda de pressão com a vazão, determina-se a medição de vazão pela seguinte equação: 5
Medição de Vazão através do 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. Utilizando o tubo pitot, determina-se um diferencial de pressão, que corresponde a pressão dinâmica e com o valor dessa pressão através da fórmula abaixo, obtemos a velocidade de um ponto de medição. 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. Pesquisadores, concluíram que o valor da velocidade média seria 0,8 da velocidade máxima do duto. Velocidade média = 0,8 * Velocidade máxima Em termos práticos, para se determinar a velocidade média do fluido no interior de um duto, utiliza-se a tomada de impacto do tubo de pitot entre 0,25D e 0,29D em relação a parede do tubo, pois nesta posição a velocidade do fluido se iguala à velocidade média do fluido. 6
Observação: 1. O eixo axial do tubo de pitot deve ser paralelo ao eixo axial da tubulação e livre de vibrações. 2. O fluido deverá estar presente em uma única fase (líquido, gás ou vapor) e ter velocidade entre 3 m/s a 30 m/s para gás e entre 0,1 m/s e 2,4 m/s para líquidos. 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. O tubo VENTURI combina dentro de uma unidade simples uma curta garganta estreitada entre duas seções cônicas e está usualmente instalada entre duas 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. Neste sistema a vazão é obtida provocando-se o estrangulamento da tubulação no ponto 2. Uma vez que a vazão permanece constante, a velocidade no ponto 2 terá que aumentar, reduzindo-se a pressão. A vazão será, então, obtida a partir da diferença de pressão verificada. Devem ser instalados em um trecho reto do conduto, em que o escoamento não sofre a influências de singularidades colocadas a montante e a jusante do medidor. Tendo por base a figura a seguir, aplicando os princípios da conservação da massa obtém-se: 8
Considerando-se que a velocidade do fluido é suficientemente subsônica e desprezandose as perdas, pode-se aplicar a expressão de Bernoulli para fluidos incompressíveis entre os pontos 1 e 2: Com as tomadas de pressão no centro da tubulação, tem-se que z1 é igual a z2, cancelando-se as parcelas. Tomando-se os diâmetros no ponto 1 e 2, iguais a D1 e D2, respectivamente, a diferença de pressão será: Considerando-se os coeficientes constantes, a vazão poderá ser dada por: O valor da constante k pode ser obtido teoricamente, considerando-se ainda todas as especificidades inerentes, ou através de calibração. Vantagens em relação a outros medidores de perda de carga: 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 no máximo 20% do ΔP. Desvantagens custo elevado (20 vezes mais caros que uma placa de orifício); dimensões grandes e incômodas; dificuldade de troca uma vez instalado. 9
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. 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. É essencial que as bordas do orifício estejam sempre perfeitas, porque, se ficarem gastas, corroídas pelo fluido, a precisão da medição será comprometida. 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 seja máxima. As placas de orifício são costumeiramente fabricadas com aço inoxidável, monel, 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. Observação: Em fluido 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. 10
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. c) Orifício Segmental Este tipo de placa de orifício tem a abertura para passagem do fluido disposta em forma de segmentos de círculo. A placa de orifício segmental é destinada para uso em fluidos em regime laminar e com alta porcentagem de sólidos em suspensão. 11
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 piezoelétrico; strain-gauge, célula capacitiva, etc..., para medir a pressão diferencial imposta por um elemento primário cuidadosamente calculado para permitir a obtenção da faixa de vazão que passa por um duto, conforme já visto em tópicos anteriores. Como a pressão diferencial é relativamente baixa, as faixas de medição destes transmissores são expressas normalmente em mmh2o ou polegada de água. 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 primários, tais como placas de orifício, que 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 transmissor representem a vazão medida. 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. 12
Curva teórica de um Extrator de Raiz Percentualmente a curva teórica saída/entrada de tais acessórios é representada pela figura a seguir. As saídas (S) correspondentes às entradas (E) de 1; 4; 9; 25; 36; 49; 64; 81 e 100% são respectivamente 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 e 100%, onde: Qualquer que seja a tecnologia utilizada, o extrator de raiz quadrada será basicamente um amplificador de ganho variável, com ganho extremamente alto para baixos valores do sinal de entrada e ganhos baixos para altos valores do sinal de entrada. 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 ΔP, o que resultaria em registro, totalizações ou controles inadequados e inconfiáveis. Para efeito de calibração de extratores de raiz quadrada fisicamente constituídos pode-se usar a seguinte equação: Integrador de Vazão As medições de vazão quase sempre tem por objetivo também apurar o consumo ao longo de um tempo pré-estabelecido de um determinado fluido usado em um processo de transformação industrial qualquer. Isto é importante pois sua quantificação permite levantar custos para conhecer gastos e efetuar cobranças de fornecimento. Para conhecer esse consumo é feito a integração dos valores instantâneos de vazão e desta forma é obtido, após um período determinado, o total consumido. Essa operação é feita por um instrumento denominado integrador de sinal. 13
5. MEDIÇÃO 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. 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 a 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 leva-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 a medida que o flutuador sobe até estabilizar em uma nova posição(pois 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. 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. 14
Condições de Equilíbrio As forças que atuam no flutuador estão representadas na figura a seguir. 15
Os rotâmetros são montados verticalmente na tubulação do fluido, cuja vazão se deseja medir, e de maneira tal que o fluido seja dirigido de baixo para cima. Ele pode ser colocado diretamente na tubulação ou em derivação como indicado na figura e que se considera como ideal. Nela o rotâmetro é instalado numa linha de by-pass e um sistema de válvulas é utilizado de tal forma que garanta o funcionamento do processo mesmo que o rotâmetro tenha que ser retirado para limpeza ou manutenção. OBS: Dispensa a necessidade de trecho reto para seu funcionamento. Uso local e em laboratórios 16
6. MEDIDORES DESLOCAMENTO POSITIVO Todos os sensores de deslocamento positivo operam usando divisões mecânicas para deslocar sucessivos e determinados volumes de fluído, a fim de contabilizá-los. Sendo assim, um fluido pode entrar na câmara de medição por um lado e sair por outro, fazendo girar os elementos de engrenagem utilizados para a medição. Existe uma grande variedade de arranjos mecânicos para explorar este princípio e, muito embora apresentem uma perda de carga constante, todos as alternativas devem oferecer baixo atrito de fricção, baixa manutenção e durabilidade. As figuras a seguir apresentam modelos típicos de medidores de vazão pelo princípio de deslocamento positivo. Pela sua construção robusta, tais medidores conseguem operar em grandes pressões, temperaturas e viscosidades. 7. MEDIDORES POR IMPACTO DO FLUIDO Medidor Tipo Turbina Um medidor de vazão tipo turbina, conforme a figura a seguir, consiste basicamente de um rotor provido de palhetas, suspenso numa corrente de fluido com seu eixo de rotação paralelo a 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. Uma bobina sensora na parte externa do corpo do medidor, detecta o movimento do rotor. 17
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 de líquido. O sinal detectado é linear com a vazão. 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 a 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. Um medidor de turbina corretamente projetado e fabricado tem uma elevada precisão e excelente repetibilidade. 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 e 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. Para estes medidores é muito importante a linearização da vazão, abaixo temos dois exemplos de linearizadores que são instalados dentro da tubulação. Fator do Medidor O número de pulsos por unidades de volume é denominado Fator do Medidor. 18
MEDIDORES ESPECIAIS 8. MEDIDOR ELETROMAGNÉTICO Introdução O medidor magnético de vazão é um dos medidores mais flexíveis e universais dentre os métodos de medição de vazão. Medidores magnéticos são ideais para medição de produtos químicos altamente corrosivos e fluidos com sólidos em suspensão. Lama, água, polpa de papel também podem ser medidos. Sua aplicação estende-se desde saneamento até indústrias químicas, papel e celulose, mineração e indústrias alimentícias. A única restrição, em princípio é que o fluído tem que ser eletricamente condutivo. Tem ainda como limitação o fato de fluidos com propriedades magnéticas adicionarem certo erro de medição. O medidor eletromagnético é um elemento primário de vazão volumétrica, independente da densidade e das propriedades do fluido. Este medidor não possui obstrução apresentando 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. 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 mensurarem fluidos altamente corrosivos como ácidos e bases. Por exemplo, à medição de ácido fluorídrico, selecionam-se eletrodos de platina e revestimento de teflon. Outros tipos de fluido particularmente adequado para medição por essa técnica são os utilizados em indústria alimentícia. Como o sistema de vedação dos eletrodos não possui reentrâncias, as aprovações para uso sanitário são facilmente obtidas. 19
Princípio de Funcionamento: Lei de Faraday Os medidores de vazão eletromagnéticos se baseiam na lei de Faraday. Segundo esta lei, quando um objeto condutor se move em um campo magnético, uma força eletromotriz é gerada. Para o caso de escoamentos pode ser assim enunciada: "Todo objeto condutor em movimento, no caso a água escoando com velocidade - v - no interior de um tubo de diâmetro - D -, dentro de um campo magnético de intensidade B -, da origem a uma força eletromotriz - E", tal que: 20
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 curtocircuitada 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, usa-se um isolante tal como teflon, borracha de poliuretano ou cerâmica. 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. 21
Alimentação das bobinas A grande transformação sofrida pêlos medidores eletromagnéticos de vazão, nos últimos anos, foi com relação à forma de excitação das bobinas. Os tipos principais de excitação são: corrente contínua, corrente alternada e corrente pulsante. Vamos fazer uma comparação técnica entre os três tipos citados, ressaltando suas vantagens e desvantagens. Ligações elétricas da bobina e do eletrodo Excitação em corrente contínua A excitação em corrente contínua tem a vantagem de permitir uma rápida detecção da variação de velocidade do fluido, e só é aplicada para casos especiais, como por exemplo, metais líquido. Entre as desvantagens deste método, citamos: dificuldade de amplificação do sinal obtido, influência do potencial eletroquímico, fenômeno de eletrólise entre os eletrodos e outros ruídos. Excitação em corrente alternada A excitação CA tem as vantagens de não ser afetada pelo potencial eletroquímico, ser imune à eletrólise, ainda é de fácil amplificação. Por outro lado, temos as desvantagens de vários ruídos surgirem em função da corrente alternada, que são provocados pela indução eletromagnética, pela corrente de Foucault que provoca o desvio de zero e pêlos ruídos de rede que se somam ao sinal de vazão, e muitas vezes são difíceis de serem eliminados. Excitação em corrente contínua pulsada A excitação em CC pulsada ou em onda quadrada, combina as vantagens dos métodos anteriores e não tem as desvantagens. Não é afetada pelo potencial eletroquímico, pois o campo magnético inverte o sentido periodicamente, mas durante a medição o campo é constante e não teremos problemas com correntes de Foucault nem com indução eletromagnética que são fenômenos que ocorrem somente quando o campo magnético varia. O ruído da rede é eliminado sincronizando o sinal de amostragem com a freqüência da rede e utilizando-se uma freqüência que seja um sub-múltiplo par da freqüência da rede, e finalmente a amplificação torna-se simples com amplificadores diferenciais. 22
Instalação física A instalação do tubo medidor na tubulação deve obedecer a certas regras para que o mesmo possa medir corretamente principalmente no que diz respeito aos trechos retos. A figura a seguir mostra como deve ser a instalação ideal Instalação correta considerando os trechos retos a montante e a jusante Instalação para evitar falsa indicação e bolhas Para evitar que o produto a ser medido não dê o contato adequado correto com os eletrodos, o tubo medidor deve ser instalado, de acordo com a figura abaixo. Instalação para ter bom contato do fluído a ser medido com os eletrodos 23
Os manuais dos instrumentos trazem mais instruções a respeito da instalação ideal. Instalação do tubo medidor Instalação da unidade eletrônica O medidor eletromagnético tem sido utilizado dentro dos seguintes limites: Precisão 0,5 a 1 (%) da grandeza medida. Relação entre Qmax/Qmin de 10:1. Limites de diâmetros 0,02 a 2,60 (m). Limites de temperatura do fluido - 30 a +180 (oc). Pressão máxima no fluido 250 (bar). 24
9. MEDIDOR VORTEX Os medidores vortex utilizam o efeito dinâmico que consiste na geração de uma esteira de vórtices a jusante de um obstáculo mergulhado no escoamento, conhecido como esteira de Von Karman, cujas características começaram a ser estabelecidas, em 1911, por Bérnard Von Karman. 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 demonstrado em todos os livros de mecânica dos fluidos. Os vórtices também podem ser observados em situações freqüentes do nosso dia a dia, como por exemplo: Movimento oscilatório da 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. Onde: d largura do obstáculo f é a freqüência dos vórtices St é o número de Strouhal que vale 0,185 para números de Reynolds entre 300 e 200000. 25
Método de detecção dos vórtices As duas maiores questões referentes ao desenvolvimento prático de um medidor de vazão, baseado nos princípios anteriormente mencionados, são: a) A criação de um obstáculo gerador de vórtices que possa gerar vórtices regulares e de parâmetros totalmente estabilizados. Isto determinará a precisão do medidor. b) O projeto de um sensor e respectivo sistema eletrônico para detectar e medir a freqüência dos vórtices. Isto determinará os limites para as condições de operação do medidor. Numerosos tipos de geradores de vórtices, com diferentes formas, foram sistematicamente testados e comparados em diversos fabricantes e centros de pesquisa. Um gerador 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. Ex: Circuito eletrônico do medidor tipo vórtex Quando um fluído passa pelo gerador ele gera um deslocamento no sensor, pois o mesmo só está preso na parte superior a parte inferior fica solta. Este deslocamento é alternado hora do lado esquerdo, hora do lado direito. Com isto o cristal B (sensor piezoelétrico) mede esta freqüência de oscilação e a freqüência de vibração da tubulação (ruído). Já o cristal A só mede a freqüência de vibração da tubulação. O circuito eletrônico recebe as duas freqüências e transforma em sinal de saída, por exemplo, 4 a 20 ma somente a freqüência proporcional à vazão. A figura a seguir mostra os detalhes. 26
Instalação do medidor tipo vórtex 10. MEDIDOR TURBILHÃO Os medidores turbilhão consistem em medir a freqüência da trança formada a jusante da inserção no escoamento de um sistema de palhetas fixas, conforme mostrado na figura a seguir. A vantagem deste medidor é sua insensibilidade a forma do perfil de velocidades a montante, podendo ser instalado apenas a 3 D de qualquer singularidade, e ser utilizado tanto para fluido no estado líquido como no gasoso, com limites de vazões iguais as dos medidores vortex. 27
11. MEDIDOR COANDA Os medidores Coanda são baseados no fenômeno observado por Henri Coanda em 1910. Coanda descobriu que quando um gás escoa livremente em uma tubulação, ele tenderá a se aproximar de uma superfície, anexando-se a ela. Isto acontece devido a uma região de baixa pressão que se desenvolve entre o escoamento e a parede do tubo. Este é o denominado efeito Coanda. A geometria do medidor Coanda produz correntes de recirculação auto induzidas em uma freqüência linearmente proporcional à vazão. A freqüência das oscilações, ou a alternância das correntes de recirculação é função das características geométricas e cinemáticas do escoamento e é detectada por um sensor localizado nos canais de recirculação permitindo determinar a vazão. A principal vantagem deste medidor e de operar com perda de carga praticamente nula, já que não provoca obstrução no escoamento. O medidor tem sido usado para fluido no estado liquido com vazões menores que 1,0 (m3/s). 28
12. MEDIDOR ULTRA SÔNICO O princípio de funcionamento dos medidores de vazão ultra-sônicos é o da propagação das ondas sonoras nos meios, no caso fluido em escoamento, com freqüências compreendidas entre 150 (khz) a 5 (MHz). Diferentes princípios físicos podem ser utilizados para medição de velocidades de escoamentos, os quais permitirão determinar a velocidade média e pelo principio de conservação da massa, a vazão. Dentre estes princípios destacam-se o Doppler e o de Tempo de Transito. MEDIDOR ULTRA SOM: EFEITO DOPPLER O efeito Doppler, denominado pelo físico austríaco Johann C. Doppler, quem primeiro o descreveu para o som em 1842, estabelece que há uma diminuição no comprimento de ondas emitidas por uma fonte em movimento em direção a um observador, e assim, uma proporcional aumento da freqüência. Inversamente, ondas emitidas por uma fonte afastando-se de um observador têm seu comprimento de onda aumentado, diminuindo a freqüência, como mostrado a seguir. Estas ondas podem ser acústicas ou radiação eletromagnética. 29
MEDIDOR ULTRA SOM: TEMPO de TRÂNSITO O medidor de vazão ultra-sônico por tempo de transito baseia-se na medição dos tempos que ondas acústicas emitidas simultaneamente no sentido do escoamento e contra o mesmo. 30
o sistema eletrônico deve empregar circuitos digitais microprocessados de alta velocidade para poder discriminar com exatidão tais valores. CONSIDERAÇÕES ADICIONAIS Os medidores de vazão ultra-sônicos por tempo de transito podem também ser classificados em função da configuração do trajeto da onda ultrassônica dentro da tubulação. Em geral consideram-se três tipos, comumente denominada configuração Z, V ou W, conforme ilustrado na figura a seguir. O tipo de configuração influencia diretamente sobre a qualidade do resultado obtido e é determinado em função de uma relação de compromisso entre diversas variáveis, dentre as quais pode-se citar: exatidão desejada, taxa de amostragem do medidor, comprimento do caminho e atenuação admissível. Como mostrado anteriormente o valor da vazão é obtido através da diferença dos tempos de trânsito da onda ultrassônica no sentido de montante e no sentido de jusante. Dessa forma, a escolha da configuração adequada deve levar em consideração a obtenção de tempos significativamente maiores que o tempo de amostragem do medidor. Sendo assim, se a tubulação é de pequeno diâmetro, é interessante aumentar o caminho a ser percorrido empregando configurações V ou W. Já as tubulações de maior diâmetro (centenas de polegadas), a questão não se encontra em se obter um tempo adequado, mas no problema da atenuação do sinal, quando este percorre caminhos muito grandes, quando se dá preferência à configuração Z. 31
Os dois tipos de medidores são complementares, já que o primeiro opera com líquidos que contêm partículas sólidas ou gasosas e o segundo requer fluídos limpos. Em ambos os tipos de medidores, o perfil de velocidades da veia fluida deve ser compensado. Nos medidores de efeito Doppler, e dependendo das realizações práticas, a influência da densidade de partículas reflexivas poderá introduzir erros suplementares. Quando a quantidade de partículas for muito grande, as partículas próximas dos sensores, que são as mais lentas, serão as que mais contribuem na reflexão das ondas, introduzindo um erro para menos. Nos medidores de tempo de trânsito, a configuração geométrica do percurso do feixe acústico é perfeitamente definida. Será, então, possível corrigir a leitura adequadamente, levando em consideração o perfil padrão em função do número de Reynolds do escoamento. Os circuitos eletrônicos dos instrumentos são previstos para eliminar os efeitos das turbulências, efetuando continuamente a média das velocidades numa base de tempo relativamente longa. É desaconselhada a aplicação destes instrumentos a produtos que depositam na superfície interna do tubo, formando uma camada absorvente de energia acústica. Instalação externa dos emissores receptores Instalação do transmissor por ultra-som 32
13. MEDIDOR CORIOLIS 33
34
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 freqüência natural à baixa amplitude, quase imperceptível a olho nu. Quando um fluído qualquer 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. Podemos encontrar este medidor com tubo reto, neste modelo, um tubo de medição oscila sobre o eixo neutro A-B sendo percorrido por um fluido com velocidade v. 35
Entre os pontos A-C as partículas do fluido são aceleradas de uma baixa para uma alta velocidade rotacional. A massa destas partículas aceleradas gera as forças de Coriolis (Fc) oposta a direção de rotação. Entre os pontos C-B as partículas do fluido são desaceleradas o que leva a força de Coriolis no mesmo sentido da rotação. A força de Coriolis ( Fc ), a qual atua sobre as duas metades do tubo com direções opostas, é diretamente proporcional á vazão mássica. O método de detecção é o mesmo do sistema anterior. 36
EXERCÍCIOS 1) Qual o conceito de vazão volumétrica e vazão mássica. Qual a relação entre elas? 2) A maioria dos medidores parte da medida da velocidade do fluído para determinar o valor da vazão. Qual a relação entre essas variáveis? 3) Qual a diferença entre vazão em regime laminar e vazão em regime turbulento? 4) Para que serve o número de Reynolds. 5) O que é perda de carga em uma tubulação? 6) Cite vantagens e desvantagens do Tubo de Venturi frente a Placa de Orifício. 7) Qual tipo de orifício deve ser utilizado em líquidos com alto grau de sólidos em suspensão? 8) Em quais tipos de medidores de vazão se deve utilizar extratores de raiz quadrada no sinal de medição? Por que? 9) Qual o motivo de se estabelecer um ponto de corte nos extratores de raiz quadrada? 10) Qual a aplicação dos integradores de vazão? 11) Por que os rotâmetros são considerados medidores de perda de carga constante? 12) Qual a principal aplicação de medidores rotâmetro? 13) Como funciona o medidor de deslocamento positivo? Quando é utilizado? 14) Explique o funcionamento do medidor hélice (ou turbina). Cite algumas vantagens, aplicações e limitações. 15) Podemos utilizar medidores de vazão por ultra-som para medir vazões de líquidos totalmente limpos? Por que? 16) Cite vantagens e desvantagens entre os medidores de vazão por ultra-som e por eletromagnetismo. 17) Para medição de vazão sem perda de carga (queda de pressão), quais poderiam ser os medidores utilizados? 18) Como funcionam os medidores de vazão com placa de orifício? 19) Qual o tipo de medidor de vazão por ultra-som pode ser utilizado para medir fluidos com alto grau de sólidos em suspensão? 20) Explique o funcionamento do medidor Coriolis. Quais são as suas principais vantagens? 21) O que é o medidor de vazão vortex? 22) Como pode se utilizado o ultrassom para a medição de vazão? 23) Como funciona o medidor de vazão eletromagnético? 37