Apostila de TreinamentosIntrodução a medidores de nível

Eng. Marcelo de Assis Silva

Conteúdo

Capítulo 1Medição e detecção de Nível Capacitivo.1. Principio de Medição2. Detecção de nível capacitivo3. Indicação de nível Capacitivo

Capítulo 2Medição de nível condutivo.1. Principio de Medição2. Maximo ou mínima detecção de nível

Capítulo 3Medição de nível hidrostático1. Principio de Medição2. Aplicação prática3. Montagem

Capítulo 4Medição de nível ultra sônico1. Principio de Medição2. Aplicação Prática

Capítulo 5Medição de nível tipo radar1. Principio de Medição2. Medição de Nível tipo Radar em líquidos3. Critérios de seleção4. Aplicações

Capítulo 6Medição de Nível tipo radar de onda guiada1. Principio de Medição2. Instalação

Bibliografia

Medição de Nível Capacitivo

.

Principio de medição:O principio de medição deste método é baseado na mudança de capacitância de umCapacitor. O Capacitor é um componente elétrico capaz de armazenar ou descarre-gar uma carga elétrica. Um capacitor consiste de duas placas condutivas separadaspor um meio isolador conhecido como dielétrico.

A capacitância entre as placas é determinada pela seguinte fórmula:

No qual:C = A capacitância do capacitor em pF.A = Área da superfície das placas em cm.D = distância entre as placas em cm.εr = Permissibilidade relativa do meio dielétrico.

A constante dielétrica é uma indicação da extensão para o qual a capacitância do capacitor incrementará por adição de um material polarizado entre as placas docapacitor dando uma diferença de potencial através das placas. Por definição a constante dielétrica do ar é 1. Todos os outros materiais possuem uma constantemaior do que 1, como demonstrado em alguns exemplos abaixo.

εr Água 81*Querosene 1,8Farinha 2Cimento 4Grão 2,4

*O valor de 81 foi obtido teoricamente. Um valor de 31 éutilizado na prática.

Na fórmula (1) mostra que para qualquer capacitor no qual d e A são constantes, o valorda capacitância (C) dependerá somente do εr. Na pratica para medição de nível capací-tivo, o capacitor é formado pela parede do tanque do silo, etc. e uma sonda isoladamontada no tanque ou na parede do silo. No caso de tanques ou paredes não condutivasnão teremos problemas no funcionamento. Por exemplo, em colunas de concreto, oreforço do ferro é adequado para agir como uma placa do capacitor. Para tanques plásticos,um tubo de metal poderá ser colocado envolta da sonda ou uma tira de metal colocada dolado de fora do tanque.

Como todos os produtos possuem uma constante dielétrica maior do que a do ar (εr=1), ovalor da capacitância do sistema deverá ser sempre maior quando a sonda estiver cobertacompletamente pelo produto do que quando ela estiver parcialmente coberta ou expostaao ar no interior do tanque. A medição de nível capacitivo é baseada na mudança de capa-citância (∆C).

O capacitor é colocado em um circuito de corrente alternada de alta freqüência de modoque a mudança na capacitância representa a mudança de nível e pode ser convertida emum sinal elétrico.

RC = 1 / ωC (2)

No qual RC = Reatância capacitivaω = 2πf ( f = freqüência da voltagem alternada).C = capacitância.

Na figura abaixo, o capacitor está conectado a uma fonte de corrente alternada AC, conhecido como oscilador de alta freqüência. A corrente que passa pelo circuito será diretamente proporcional ao valor da capacitância (C).

A sua tensão varia aproximadamente de 3-12V ou pulso de 150-400Hz.

Esta variação de tensão (∆U) e a variação de pulso (∆F) é convertido em operação de relé para chaves capacitivas em sinal de 0-20 ou 4-20mA para medição continua de nível.

Corrente alternada

Corrente medição

Detecção de nível capacitivo

Detecção de nível refere-se a detectar um ponto fixo de nível e consiste basicamente na combinação de 3 componentes em uma unidade:• Sonda de medição• Unidade Oscilador HF• Amplificador com saída de sinal.

Um dos métodos de detecção de nível capacitivo é converter a mudança de capacitância em variação de tensão. A unidade osciladora é conectada ao amplificador. Quando há uma mudança na diferença de potencial o mesmo é convertido pelo amplificador em uma operação relé. A capacitância inicial de diferentes dispositivos de medição nunca são as mesmas. Quando a sonda é descoberta o oscilador produz um sinal em tensão (V), no qual o valor deste sinal dependerá da capacitância inicial ( Ci ). O potenciômetro A então é usado para ajustar o amplificador não energizando completamente o relé. Quando a sonda é coberta, a capacitância aumenta e será ( Ci ) + (∆C ), capacitância inicial mais a variação de capacitância e a diferença de potencial (V) + (∆V). Assim a mudança na diferença de potencial direciona o amplificador a energizar o relé.

Indicação de Nível CapacitivoIndicação de nível capacitivo se refere a medição contínua de nível de um produto em um tanque ou silo. O sistema de medição consiste dos seguintes componentes:• Sonda• Unidade oscilador HF• Amplificador com saída analógica de corrente ( 4-20 mA ) ou tensão.

Como na detecção de nível, a mudança na capacitância (∆C) em um indicador de nível também é convertido no oscilador em uma diferença de potencial.O potênciometro A é usado para ajustar o amplificador para 0% quando tivermos uma capacitância inicial (Ci) ou tanque vazio.

Quando o tanque ou o silo encher, a capacitância será Ci + ∆C e a nova voltagem será V + ∆V. Esta mudança na voltagem (∆V ) é amplificada e convertida em um sinal padrão de 4-20 mA. O Potenciômetro B é usado para o ajuste do span ou 100%(valor de 20 mA).

Medição de nível condutivo

Detecção de Nível CondutivoO principio de medição de nível por condutividade de um produto, baseia-se na mudança da resistência entre dois condutores.A detecção do nível por condutividade elétrica dos líquidos em um tanque de metal ou outro container pode ser obtido simplesmente através de uma sonda isolada do vaso e um amplificador de condutividade.Quando o produto não esta em contato com a sonda, a resistência elétrica entre a sonda e a parede do tanque é muito alta ou quase infinita. Quando o nível do produto sobe até completar o circuito com a sonda e a parede do tanque, a resistência será relativamente baixa. Uma baixa resistência implicará uma corrente de medição mais elevada.

Detecção de Nível máxima ou mínima A diferença em resistência pode ser detectada por meio de um ajuste seleletivo no amplificador e pode ser usado para alarme ou controle via relé, fornecendo um contato livre. Um bom aterramento de referência deve ser providenciado para tanques de material não condutivo. Isto pode ser uma tubulação de alimentação, um suporte de montagem ou uma segunda sonda. Em certos casos, uma sonda multipla é usada e um a destas sondas atuará como uma conexão de terra.A corrente alternada é aplicada na sonda para prevenir oxidação resultante da

eletrólise. O circuito básico é dado abaixo:

A resistência do produto Rx é conectada a uma ponte de Wheatstone via sonda e conexão de aterramento. O potenciômetro Rv é usado para balancear a ponte, com isso o relé não esta energizado. Quando o produto alcança a sonda, o valor de Rxmudará e a ponte ficará desbalanceada. Isto fará com que o relé seja energizado. Chaves condutivas padrões possuem um range de ajuste de aproximadamente 0-1,5Kohm ou 0-50Kohm e um contato livre de potencial como saída.Uma versão para baixa resistência é solicitada para uso com processos e produtos no qual uma resistência residual significante pode ser medida na sonda após ter sido emergida no liquido no qual produz uma superfície espumosa ou viscosas.

Nota:Uma medição simples é tudo que é requerido para verificar que um produto é suficientemente condutivo e permitir que uma chave condutiva seja usada. Uma pequena corrente alternada de um transformador é aplicado a uma haste de metal para simular uma sonda e a parede do tanque, preferivelmente na mesma posição e distância da parede do tanque que a sonda. Com aproximadamente 50 mm de imersão da haste no produto, a corrente e a voltagem podem ser medida e a atual resistência do produto calculada de acordo com a fórmula:

R em ohm= V em volts / I em Ampers

Medição de Nível Hidrostático

PrincipioNeste método o principio é baseado na medição de pressão hidrostática procedida por uma coluna de líquido a uma determinada altura. A pressão é calculada usando a fórmula; P=h.ρ.g onde:P = pressãoh = altura da coluna liquidag = aceleração da gravidadeρ= densidade relativa

Nesta fórmula podemos observar que a gravidade específica do meio não varia, a variável na fórmula será somente a altura h. A pressão medida será diretamente proporcional a altura h, isto é, o nível do líquido no tanque.

O diagrama também ilustra que a pressão medida é igual a pressão da coluna líquida mais a pressão na superfície.

A pressão na superfície em tanques abertos para a atmosfera será zero. Esta pressão na superfície é geralmente insignificante, por que a maioria dos sensores de pressão possuem compensação para atmosfera. Se a pressão na superfície do líquido é maior do que a pressão atmosférica, então a pressão será maior do que a cabeça da coluna liquida. Neste caso, a pressão que atua na superfície é subtraída da pressão total, deixando somente a pressão da coluna liquida.

Aplicação PráticaTransdutores de pressão hidrostáticos consistem normalmente de uma membrana o qual é mecanicamente ou hidraulicamente conectado ao elemento sensor podendo ser baseado em um principio indutivo, capacitivo, célula de carga ou semicondutor.Neste caso só mencionamos o principio de célula de carga em multi-camadassemicondutoras. A Mudança na pressão cria uma mudanças na célula de carga ( resistência) do transdutor no qual é convertido em um sinal de medição no pré-amplificador. Isto é transmitido por sua vez a um amplificador remoto que fornecerá uma saída 4-20 mA ou um sinal digital fieldbus.

MontagemComo o sensor de pressão tem que ser exposto a uma pressão para determinação do nível, o sistema é montado próximo ao fundo do tanque. Se o medidor não puder ser montado na parede, o mesmo pode ser instalado no topo do tanque com um cabo ou uma haste com uma profundidade apropriada. Versões com cabo de extensão também estão disponíveis para reservatórios e poços de grande profundidade.

Se o sensor estiver montado em pescoços extensos ou longas tubulações, o cuidado deve ser tomado para que o meio não cristalize ou endureça no tubo. Se isto vier a ocorrer, então a pressão não será transmitida por muito tempo para a membrana e portanto não poderá ser medida. Para prevenir isto qualquer uma dos diferentes sistemas de montagem que seja escolhida ,pescoço ou tubo, deverá ser aquecida. Montagens no topo ou na parede são sempre recomendadas para finalidades de monitoramento e calibração. Abaixo segue alguns modelos de instrumentos para medição de nível hidrostático.

Medição de nível ultra sônico

Principio de operaçãoNa medição de nível ultra-sônica, o principio de operação é baseado na medição do tempo de vôo de um sinal acústico transmitido e recebido de um mesmo sensor após refletir em uma superfície líquida ou sólida.

Aplicação práticaO tempo de vôo de um pulso ultra-sônico é uma medida direta da altura do produto em um silo ou tanque. A distância trafegada pelo pulso em metros é igual ao tempo de viagem do pulso em segundos multiplicado pela velocidade do som em metros por segundo. O som ultra-sônico viaja a uma velocidade de aproximadamente 331 m/s no ar a 0 oC e independente da freqüência e pressão do ar. Entretanto isto depende da temperatura do ar, então um fator de 0,17% / oC na temperatura deverá ser aplicado em todos os sistemas. Portanto teremos diferentes velocidades aplicadas em outros gases e vapores.Exemplo: A velocidade do som no nitrogênio é 349 m/s.Para o ar a 20 oC, a velocidade do som é de 343 m/s.

O sistema de medição consiste de um transmissor, sensor e um amplificador responsável pelo sinal 4-20mA. Este sinal 4-20 mA é proporcional ao nível medido.O sensor consiste de uma membrana de medição conectada a um ou mais cristais piezo elétrico para transmissão e recepção do sinal sonoro. Quando aplicamos energia elétrica no cristal piezo elétrico, o mesmo produz pequenos movimentos mecânicos que é convertido através de uma membrana produzindo sinais acústicos. Similarmente, o movimento mecânico produzido no cristal por ondas sonoras refletidas é convertida em um pequeno sinal elétrico, ex.: o retorno do pulso sonoro. A diferença de tempo entre a transmissão do sinal original e a recepção do retorno do sinal é o tempo de viagem, ex: O tempo de percurso da onda entre a transmissão e recepção do sinal, é duas vezes a altura da parte vazia do tanque ou silo.

Critério para seleção de um eco apropriado

Distância a ser medidaEste é o primeiro fator a ser considerado. Uma tabela de especificação ou outra documentação e dados do processo deverá ser consultada para uma escolha de diversos tipos de transmissores e sensores. Um sistema desenvolvido para alta precisão e curtas distâncias não será potente o bastante para longas distâncias.

Composição e propriedades da superfície do produtoÉ inerente neste tipo de sistema que pelo menos uma parte do sinal ultra sônico transmitido tem que ser refletido da superfície do produto. Se existe uma camada de espuma na superfície do líquido ou se o volume de material é composto de finos grãos, então menos energia será refletida e portanto uma quantidade maior de energia é solicitado para conseguir a mesma distância de medição.Também, para receber um retorno correto de eco do sinal em sólidos, as partículas devem ser de um tamanho determinado. Como a superfície dos sólidos são raramente horizontal, O retorno de reflexão do eco tem que vir de partículas individuais. O tamanho de uma partícula para uma reflexão difundida depende da freqüência de medição. Portanto este parâmetro juntamente com a montagem do sensor tem que ser examinado no cliente para um funcionamento apropriado do sistema de nível ultra-sônico.

O surgimento de pequenas camadas ocasionais de espuma não afetarão na medição. Somente camadas densas de espuma irão absorver toda a energia ultra-sônica e não haverá retorno do sinal de eco. Em caso de espuma densamente pesadas, o retorno dpeco não será da superfície do líquido mas sim da superfície da espuma.

Condições de mediçãoO sinal transmitido e o sinal refletido do sensor devem passar através da atmosfera no interior do tanque ou silo. Todos os fatores que provavelmente enfraquecem ou interferem no sinal por absorção ou reflexão, devem ser cuidadosamente examinados para que possa ser escolhido um sistema mais apropriado. Estes fatores incluem a presença de sujeiras, vapor, pressão, temperatura e variações na composição de gases.Os fatores mais importantes são descritos abaixo:

PressãoOs sistemas de medição ultra-sônicos, são insensíveis a variação de pressão. Não haverá nenhuma variação significativa na velocidade do som a uma pressão de 3 bar. Entretanto há 2 limitações com respeito a pressão. Primeiramente, a máxima pressão de 3 bars é puramente uma limitação mecânica. Em pressões muito altas, a membrana não pode mover-se em sua extensão total devido a força exercida sobre ela. Por outro lado em pressões abaixo 760 mm de mercúrio o sistema não opera na propagação do sinal, ex: água ou gás não é longa o bastante para transmitir o sinal acústico em um vácuo parcial.

TemperaturaVariações na temperatura afetarão o tempo de transito de uma onda sonora em 0,17%/ oC. Cada sensor ultra-sônico possui um sensor de temperatura que compensa eletronicamente as variações de temperatura.

Composição de gásA velocidade de propagação de ondas sonoras no ar a 20 oC é 343 m/s. A velocidade de propagação irá variar em outros gases e vapores. Por exemplo, a velocidade do som no nitrogênio é 349 m/s.

Tempo de transito = (2 x distância a ser medida) / velocidade do som

Em um tanque de 8 metros de altura teremos:C ar = 16 (m)/ 343 (m/s) onde C ar = 0.0466 seg.

C nitrogênio = 16 (m) / 349 (m/s) onde C nitrogênio = 0.0458 seg.

O amplificador sempre processa o sinal de eco baseado na velocidade do som no ar. A distância total percorrida no nitrogênio será 15,7 metros, dando desta forma uma distância medida de 7,85 metros.

Isto acarreta em um erro de ((8 – 7,85) / 8) x 100% = 1,9 %.

MontagemO sensor deve ser montado na melhor posição possível para que o sistema de eco funcione corretamente, sem obstrução entre o produto e a superfície do sensor.Escadas de acesso, elementos de imersão, agitadores, bombas internas, entrada ou queda de produtos podem produzir interferências no eco.Verifique sempre o limite de distância de bloqueio dos sensores, que é a mínima distância entre o sensor e a superfície a ser medida. A distância de bloqueio é definida como a distância na qual o sensor não consegue distinguir o sinal transmitido e o sinal refletido pela superfície.

Medição de nível tipo radar

PrincipioO nível em um tanque ou silo pode ser determinado pela medição do tempo de vôo de um impulsos de microonda. Em líquidos, os impulsos de microondas são emitidos e recebidos por uma antena. Microondas ou radar ( Radio Detecting and Ranging ) é usado em aviação, marinha e aplicações militares.

Medição de nível tipo radar em líquidosO transmissor de nível, trabalha de acordo com método eco – impulsos.Impulsos de ondas curtas de 0,8 ns de duração são direcionadas para os produtos por uma haste ou antena, onde são refletidos de uma superfície e detectados pelos mesmos arranjos, agora atuando como um receptor. A distância para a superfície do meio é proporcional ao tempo de propagação dos impulsos da onda.D = c. t/2D = distância transmissor / superfície do produtoC = velocidade da luzt = tempo de propagação da onda em segundos

Medição tipo radar é virtualmente independente de temperatura, pressão / vácuo e presença de poeira ou vapor. Os impulsos de microondas trafegam na velocidade da luz e não são afetados por nenhuma propriedade do vapor.

Comparando o ultra-som que são impulsos gerados mecanicamente por movimento de ar que são refletidos por propriedades mecânicas do meio, o principio de microondas difere por propagação de ondas eletromagnéticas no qual são refletidos por uma mudança na impedância ( Constante dielétrica do meio ).

A constante dielétrica deve ter um valor mínimo de 1,4 em tubo de calma. Porém 1,9 é um valor aceitável. Para produtos condutivos (>10 mS/cm), a medição é totalmente independente da constante dielétrica.

Critérios de seleçãoA seleção de um radar apropriado é dependente dos dados de aplicação:1. Resistência química, pressão de processos e a temperatura que determina o

material da flange e da antena.2. Range de medição desejado e condições de processo tal como constante

dielétrica, espuma, ondas ou vórtices determina o tamanho da antena.3. Tipo de tanque ( estocagem ou processo ) e montagem ( espaço livre, tubo de

calma ou bypass ).4. Precisão requerida e aprovação Ex.

AplicaçõesOs instrumentos de nível tipo radar são utilizados onde as vantagens do não contato na indicação de nível são necessário e onde os medidores de nível tipo ultra som não podem ser utilizados devido a condições de processo como alta pressão, baixa pressão, alta temperatura ou composição do ar.

Radar tipo onda guiada

PrincipioO principio de funcionamento de um radar de onda guiada é enviar pulsos de radar em um cabo, e quando estes pulsos captam a mudança de impedância o sinal retorna para o transmissor.O radar tipo onda guiada é capaz de medir uma escala larga de sólidos até grãos de tamanho de 20mm que tenham uma constante dielétrica com valor de 1.8 ou mais. Os mesmos não são afetados por umidade ou mudanças de temperatura ou pressão. Alta concentração de poeira, vapor, ruídos acústicos não afetarão a medição.Radares de onda guiada também são utilizados na medição de líquidos que também possuam uma constante dielétrica maior do que 1.8.

Os critérios de seleção e aplicações para um radar de onda guiada é praticamente o mesmo em relação ao radar de onda livre, observando apenas as restrições quanto instalações.

Instalação• Observar que o instrumento deverá ser instalado com pelo menos uma distância de 30 cm da parede do silo ou tanque.• O máximo range de medição é limitado pelo máximo comprimento do cabo do instrumento.• Evite instalar o medidor próximo a entrada de produtos para que não haja interferência na medição.• O ponto de zero ( 4 mA ) deve estar programado com pelo menos 35 cm acima da ponta do cabo.

Bibliografia

The theory and practice of level measurement( Win van de Kamp ) – Endress+Hauser

Informações

www.endress.com.br

Informações sobre aplicações higiênicas

www.ehedg.orgwww.fda.govwww.3-a.orgwww.nsf.orgwww.iafis.orgwww.worldfoodnet.com

Informações sobre proteções ( ATEX )

www.epsilon-ltd.comwww.csa-international.orgwww.explorisk.comwww.iceweb.com.au/home.html

Endress+Hauser Controle e Automação LtdaAv. Pedro Bueno, 933 – Parque JabaquaraSão Paulo – SP CEP: 04342-010Tel: +55 11 5033-4333Fax: +55 11 5033-4334Informações: info@endress.com.br

Apostila de TreinamentosIntrodução a medidores de vazão

Eng. Marcelo de Assis Silva

Conteúdo

Capítulo 1Medição de vazão eletromagnética1. Principio de Medição2. Vantagens3. Desvantagens4. Tubo de medição5. Revestimento6. Sistema de bobinas7. Eletrodos

Capítulo 2Medição de vazão tipo Coriolis.1. Medição mássica de vazão2. Principio de medição3. Medição de densidade4. Medição de temperatura5. Vantagens6. Desvantagens

Capítulo 3Medição de vazão tipo vortéx.1. Principio de Medição2. Sensores3. Vantagens4. Desvantagens

Capítulo 4Medição de vazão tipo ultra sônico1. Principio de Medição2. Método Doppler3. Método diferencial tempo de transito4. Vantagens5. Desvantagens

Capítulo 5Medição de vazão thermal1. Principio de Medição2. Principio por dispersão térmica3. Principio perfil térmico

Medidores eletromagnéticos

Principio de mediçãoO físico inglês Michael Faraday descobriu que cargas elétricas estão induzidas em uma haste condutora de metal de comprimento (L) movido em uma velocidade (v) através de um campo magnético (B) e consequentemente uma voltagem (Ve) de alguns milivolts será gerada entre as extremidades da haste. Faraday também descobriu que a magnitude da voltagem induzida nesta maneira é diretamente proporcional a velocidade (v) de movimento e a força do campo magnético (B).

Ve = B.L.V

Ve = Tensão induzidaB = Campo magnéticoL = comprimento do condutor elétricoV = velocidade do movimento do condutor.

Em uma medição magnética, o fluído condutivo passa dentro do tubo de medição, correspondendo a haste metálica no experimento de Faraday. O campo magnético de força constante é gerada por 2 bobinas , uma de cada lado do tubo de medição. Dois eletrodos instalados ao lado da parede do tubo, detectam a voltagem gerada pelo produto que flui através do campo no interior do tubo. O tubo de medição é eletricamente isolado do fluído e o eletrodo com um forro não condutivo (ex. borracha ou teflon).

Qv = v.A = (Ve/ B.L).A

Onde:Qv = vazão volumétricaA = seção transversal do tuboVe = Tensão induzida na mediçãoB = Campo Magnético

Portanto a voltagem induzida é diretamente proporcional a velocidade da vazão do fluído.

Principio de medição de vazão eletromagnética.

Na pratica, há um número de tensões de interferência que tem que ser filtradas para que os eletrodos de medição não venha utiliza-los nos cálculos.Típicas fontes de interferências, incluído o campo magnético da terra, cargas eletrostáticas nas paredes do tubo e no fluído, bem como efeitos galvânicos na superfície entre os eletrodos e o fluído.A maior vantagem deste principio de medição é que o mesmo não é afetado por pressão, temperatura ou viscosidade.

Vantagens• Este principio é virtualmente independente da pressão de processo, temperatura e viscosidade.• Grandes diâmetros são disponíveis nesta aplicação.

• Sem perda de carga• Tubo de medição em linha reta sem partes móveis.• Boa estabilidade a longo prazo, grau elevado de reprodutibilidade.

Desvantagens• Somente fluídos condutivos podem ser medidos• A medição apresenta menor precisão e mais dificuldade em fluídos que apresentam condutividades fracas, ex. água desmineralizada.• Depósitos dentro do tubo de medição ou nos eletrodos podem causar erros.

Tubo de medição (a)

É importante que o tubo de medição não tenha nenhuma obstrução ou distorção no campo magnético. Os materiais frequentemente mais utilizados são aço inóx e plastico.

Revestimento (b)

O revestimento é necessário para fazer a isolação entre os eletrodos e o tubo de medição. O mesmo deve resistir fisicamente e quimicamente o fluído. Poliuretano, borracha dura e PFA / PTFE ( ex. teflon ) são os materiais mais utilizados.

Sistema de bobinas (c)

O campo magnético é gerado por 2 bobinas de fios de cobre montadas do lado externo do tubo. Ambas excitações DC e AC são utilizadas.

Eletrodos (d1-d3)

-Eletrodos de medição (d2 e d3), para detecção da tensão induzida.

-Eletrodo de referência ou terra ( d1 inferior ).

-Eletrodo de detecção de tubo vazio ( d1 superior).

Medidor de vazão tipo Coriolis

Medidores mássicos de vazãoEm muitos setores da industria, é melhor medir vazão mássica do que vazão volumétrica. Em processos alimentícios, por exemplo, produtos como pasta, polpas e yogurtes são geralmente medidos em bateladas de peso e não de volume. Em algumas embalagens destes produtos é possível visualizar o peso e não o volume da embalagem. Um dos fatores para que isto ocorra é que o volume de muitos fluídos podem variar após sofrer influências físicas como, pressão, temperatura e densidade.A massa de um fluído não é afetada por estas influências e por isso a medição em massa possui algumas vantagens que a medição volumétrica não possui. Este é um aspecto importante para medições fiscais em batelada e medição de fluídos.A massa de um corpo é geralmente determinada pelo peso. Do ponto de vista de engenharia, há mais dificuldades de serem superadas ao pesarmos uma massa que esteja fluindo continuamente através de um tubo. Esta é uma das razões por que em décadas recentes tem se visto a importância de um sistema de medição que permita a medição direta e continua da vazão mássica – a saber medição mássica pelo principio de Coriolis. Em algumas aplicações faz mais sentido aplicar este principio do que determinar massa indiretamente pela medição de vazão volumétrica e densidade.

Principio de mediçãoA descrição deste principio é atribuída ao físico e matemático Francês Gaspar Gustave de Coriolis. O efeito ocorre somente em sistemas em rotação, mas não deve ser confudido com força centrífuga.Despeito do fato de que o termo “força de coriolis” esta em uso difundido, isto é frequentemente difícil descrever esta força, muito menos explica-la.

A força de Coriolis esta sempre presente quando os movimentos lineares e ações rotatórias são superimpostas dentro de um sistema. Na ausência do movimento linear somente ocorre força centrifuga na pessoa.

Em termos matemáticos, a força Coriolis (Fc) é diretamente proporcional ao movimento da massa (m), velocidade do rotação (ω) e a velocidade radial (Vr) no sistema de rotação.

Fc = 2.m.ω.Vr

Para um melhor entendimento iremos demonstrar praticamente como surge a força de Coriolis.

Uma pessoa encontra-se parada no centro de uma placa circular giratória. Neste momento a placa esta girando em uma velocidade angular. A pessoa esta sendo influenciada neste momento por uma força centrífuga ( desenho a esquerda).Agora a pessoa começa a caminhar para frente (do centro para a lateral da placa) em uma velocidade radial deixando seu estado de inércia no centro da placa. Como a placa encontra-se em uma velocidade angular e a pessoa caminhando em uma velocidade radial, o corpo desta pessoa sofrerá uma força chamada força de Coriolis.

Em Física clássica, distingue-se a força de Coriolis fictícia, ou inercial, devido ao fato desta existir somente num referencial acelerado, caso no qual um movimento circular é submetido a uma aceleração centrípeta. Neste caso, a força de Coriolisé similar à força centrífuga, e como a força centrífuga, a força de Coriolismanifesta-se somente em referenciais em rotação. No entanto, a força de Coriolisdepende da velocidade do corpo em movimento, e é nula, por definição, no caso de um corpo imóvel em um referencial em rotação. A força centrífuga, por sua vez, depende da posição do corpo em relação ao centro de rotação. Pode-se assim dizer que a força centrífuga é o componente estático da força inercial se manifestando no referencial em rotação, enquanto que a força de Coriolis é o componente dinâmico.

Em caso de medidores de vazão mássico, quando o fluído esta parado, não há movimento linear e consequentemente não ocorre força Coriolis.Uma vez que a massa começa a fluir, o movimento o movimento induzido pela oscilação (= rotação ) em um tubo de medição é imposto ao movimento linear no fluído de vazão. A força Coriolis causa uma torção nos tubos de medição (b,c). Sensores (a,b) na entrada e saída do tubo registram a diferença de tempo deste movimento ou em outras palavras, registram a diferença da fase. Quanto maior for a vazão mássica, maior é a diferença de fase.

Abaixo podemos ver a força de Coriolis através da geometria dos tubos.Quando temos um fluido em movimento, as partículas se movem através do tubo de medição e são impostas a uma aceleração lateral devido a força de Coriolis. Quando as partículas de massa entram no tubo, elas desviam do centro de rotação do mesmo, retornando ao centro quando o mesmo se aproxima novamente da extremidade do tubo. Consequentemente a força Coriolis atua em direções opostas na entrada e saída iniciando uma torção no tubo. Esta mudança na geometria dos tubos de medição é registrado como uma diferença de fase pelos sensores (a,b) em cada final de tubo. Esta diferença de fase é diretamente proporcional a massa do fluído e a velocidade do mesmo.

Medição de densidadeOs tubos de medição são continuamente excitados em um freqüência de ressonância. Assim que a densidade do fluído mudar e consequentemente a massa do sistema, a freqüência de excitação é ajustada conformemente. Esta freqüência de ressonância esta em função da densidade do fluído e pode ser usada como um adicional na saída de sinal.

Medição de temperaturaA temperatura dos tubos de medição é determinada em ordem para calcular o fator de compensação devido aos efeitos de temperatura. O sinal corresponde a temperatura do processo e também pode ser usada como saída de sinal.

Vantagens•Universalmente aplicavel para medição de vazão liquidos e gases.•Medição direta de massa. ( Não necessita compensação de pressão e temperatura)•A medição principal é independente da viscosidade e densidade do fluído.•Alta precisão na medição.•Conceito de sensor multivariavel: medição simultânea de vazão mássica, densidade e temperatura ao mesmo tempo.•Sem necessidade de trechos retos antes e depois do medidor.

Desvantagens•Investimento inicial relativamente alto.•Range de temperatura limitados: tipicamente -50 oC a +350 oC.•Utilização restrita em caso do fluído conter grande quantidade de gás no caso de fluídos com multi fases.•Grandes tamanhos são pesados em alguns designs.

Medidores tipo Vortex

Principio de MediçãoEste principio de medição é baseado no fato de que vórtices são formados nos obstáculos que os fluídos encontram em seu percurso em um rio, ou em uma tubulação fechada ou uma canaleta aberta. Este fenômeno pode ser observado olhando o rio chocar-se com o pilar de uma ponte por exemplo. A frequência de vórtices de cada lado do pilar é proporcional a velocidade da vazão e portanto a vazão volumétrica.

A esquerda podemos observar os vórtices formados pelo choque da água com o pilar da ponte. A direita vemos uma foto do satélite mostrando os vórtices formados pelas nuvens ao chocar-se com o pico de um vulcão.

Em 1878, Strouhal estava tentando descrever em forma cientifica os redemoinhos que se formam atrás do corpo. Seus estudos revelaram que um fio firmemente esticado em um jato de ar, oscilará. Este fenômeno pode ser observado em um carro ou uma casa: O assobio do vento é causado pelos vórtices que aumentam ou diminuem conforme a variação da velocidade do vento.

O número Strouhal é usado no contexto de relação entre a freqüência de vórtices, velocidade de vazão e diâmetro do corpo.

St = f.d / v

Onde:St= número Strouhalf= freqüência vórticesv= velocidade de vazãod= diâmetro do corpo

Principio de medição dos medidores de vazão tipo vortéxd = diâmetro do corpo / obstáculof = frequência de vorticesv = velocidade de vazãoL = distância entre vortices

O fluxo alcança sua velocidade máxima na parte a mais larga do corpo e perde subseqüentemente alguma velocidade. Isto causa uma baixa pressão localizada produzindo um contra fluxo e consequentemente vortices.

Os obstáculos comumente chamados “bluff body” nos medidores vortex variam de fabricante para fabricante e podem ter diversas formas como retangular, triangular, delta, redondo, etc. Este design deve ser tal que o número Strouhal permaneça constante acima do range de medição, em outras palavras, a freqüência de vórtices é independente de pressão, temperatura e densidade. Este range constante (Re>20000) que é utilizado para medição volumétrica com medidores vortex.

Exemplo:Um medidor de vazão tem um fator K de 10 pulsos por litro, então cada pulso gerado de vórtice corresponde a um volume de 0.1 litro independente deste fluído ser água, vapor ou outro fluído.

SensoresOs medidores tipo vortex consiste de vários componentes, incluindo tubo de medição, bluff body, sensor, pré amplificador e eletrônica. Na maioria dos medidores, o sensor não possui partes móveis e não são objetos para desgastar ou requerer manutenção.Os vórtices produzidos pelo bluff body cria uma pressão flutuante local na vazão na qual pode ser medida pela variação do sensor e convertida em sinais elétricos.

O Sensor tipo DSC ( Differential Switched Capacitor ) utilizado pela Endress+Hauser é formado por um eletrodo central (c) que quando sofre a ação de um vortéx de pressão flutuante em sua haste (a), varia de um lado para o outro. Com isso forma capacitores C1 e C2 junto com as paredes externas do eletrodo (d) . A mudança de largura de abertura produzida periodicamente varia a mudança em capacitância. Essa mudança é proporcional a pressão diferencial do vortex no qual é processado pela eletrônica.

As vantagens primárias do sensor DSC são:• Resistente a choques de temperatura• Resistente a golpes de água• Não é afetado por vibrações nas tubulações. A distância entre o centro do eletrodo e os eletrodos externos não são influenciados pela aceleração dos efeitos causados por vibrações. A haste sensora e o centro do eletrodo são exatamente balanceados, portanto as forças de aceleração produzidas por vibração sempre atuam no centro de gravidade do sistema sensor e consequentemente não geram vibrações adicionais nos sinais de medição.

Vantagens•Universalmente aplicavel para vazões volumétricas de vapor, líquidos e gases.•Não afetado por mudanças na pressão, temperatura e viscosidade.•Simples instalação•Grande range nominal de diâmetros (DN 15 até DN 450)•Sem partes móveis•Range de temperatura: -200 a +400 oC•Linearidade do sinal de freqüência é independente as condições de processo do fluído.

Desvantagens•Vazão pulsada.•Necessário grandes trechos retos na entrada e saída do medidor.•Não pode ser usado para fluídos altamente viscosos.•Medições com baixa vazão não é possível (Re<4000)

Medidores de vazão tipo ultra som

PrincipioO campo de medidores ultra sônicos cobre uma variedade e tipos de medidores de vazão. O termo ultra-sônico não define o tipo de medidor de vazão. O termo “Ultra-sônico” meramente indica que a vazão é medida por ultra som. Atualmente a vazão é medida por outros dois métodos fundamentais diferentes.• Método Doppler•Método diferencial de tempo de transito (time-of-flight)

Método DopplerEste fenômeno envolve a reflexão de ondas de objetos em movimento.

Exemplo: A freqüência de áudio de uma ambulância quando aproxima-se. Assim, um deslocamento Doppler é um incremento ou decremento na frequência de ondas sonoras que varia de acordo com a diminuição ou o aumento da distância entre a fonte geradora e receptora.Uma pré-condição para o sucesso da operação de um Doppler é que o fluído tenha partículas, bolhas de gás ou similar, no qual irá refletir o sinal injetado de ondas sonoras. Para isso o Doppler necessita de 2 sensores. O primeiro emite um sinal de onda ultra sônica dando uma freqüência dentro do fluído, enquanto o segundo é um receptor de ondas refletidas.

∆f = f1 – f2

A freqüência do som refletido é alterado por uma quantidade direta proporcional da velocidade do movimento das partículas ou bolhas.

Q = K.∆fOnde:∆f = diferença de freqüência ( f1-f2 )K = constante = f (anglo de incidência / reflexão, localização das partículas de reflexão, área seccional ).O método Doppler é simples e eficiente para medição de velocidade de uma partícula. Imagine um policial rodoviário com um radar em uma rodovia. Ele pode escolher o carro a ser medida a velocidade porém não poderá fazer a média do trafego local.

Método diferencial por tempo de transitoEste método utiliza o fato de que a propagação de velocidade da onda sonora dentro de um fluído é diretamente influenciado pela velocidade daquele fluído. A medição de vazão ultra-sônica utilizando o efeito de tempo de transito é baseado no simples fato físico.Dois sensores montados em um tubo emitem e recebem pulsos ultra-Sônicos simultaneamente. Na vazão zero, ambos os sensores recebem o sinal de onda ultra-sônica ao mesmo tempo. Mas com um fluido em movimento, as ondas ultra-sônicas diferem o tempo de chegada de um sensor para o outro. Se as distâncias entre os 2 sensores é conhecida, então a medição da diferença do tempo de transito é diretamente proporcional a velocidade de vazão.

Ambos os sensores são conectados a um transmissor. O transmissor excita o sensor para gerar ondas sonoras e medir o tempo de transito destas ondas de um sensor para o outro.

Q = K. ((t1-t2)/(t1.t2))

T1 – tempo de transito 1 ( com o fluxo )T2 – tempo de transito 2 ( contra fluxo )K - comprimento do trajeto acústico, relação entre a distância radial e axial do sensor, distribuição da velocidade.

Vantagens• Pode ser utilizado em tubulações de pequenos ou grandes diâmetros nominais.• Fluídos extremamente corrosivos podem ser medidos sem contato direto• Alta expectativa de vida• Sem perda de carga• Os sensores ultra sônicos podem ser deslocados, outros montados ou até mesmo soldado.• Fluídos homogêneos podem ser medidos pois o principio de medição é independente das propriedades físicas.

Desvantagens• Depósitos no interior dos tubos podem causar erros na medição.• O método Doppler pode ser utilizado somente em certas aplicações, ex. para monitoramento de vazão.• Meios com baixa precisão. Fortemente dependente da propriedade dos fluídos. (acústico, transparente )• O resultado das medições são altamente dependentes do perfil do fluxo, porque a velocidade do fluído é medida somente em uma pequena área da tubulação.

Limitações• Limitado a range de temperatura do fluído• Se o fluído é duramente contaminado com material externo• Se o perfil do fluxo for sujeito a um rompimento severo.

Sensor ultra-sônico instalado em uma tubulação deágua de grande diâmetro. ( 55 polegadas )

Medidor vazão tipo Thermal

Principio de funcionamento

- Principio por dispersão térmicaUm elemento é aquecido e exposto a vazão. A taxa de refrigeração é uma medida de velocidade local e consequentemente vazão.

-Principio por Perfil TérmicoO calor é aplicado a uma área limitada do fluxo. A ascensão local da temperatura e a energia adicionadas são usadas para computar o fluxo de vazão.

-Elemento (a) aquecido O elemento é resfriado dependendo da vazão.

-Elemento de referência não aquecido (b).

Medidor de vazão mássica baseado no principio de perfil térmico.Aplicando aquecimento (H) com a vazão em zero cria um perfil térmico distorcido (a), no qual se movimenta para direita sob circunstâncias de fluxo (b). H – elemento de aquecimento, L/2 – meio comprimento de tubo, F –medidor de vazão, T – temperatura do tubo, T1e T2 – temperatura dos sensores.

Principio da dispersão térmicaO medidor tipo dispersão térmica pode operar em outros dois elementos. Em ambos os casos, qualquer que seja o elemento sensor, aquecido ou não, está conectado na forma de ponte de Wheatstone. Se a corrente através do elemento aquecido, ex. fio, se mantém constante, então temos uma relação direta entre temperatura ( resistência) e vazão. Alternativamente, a resistência pode se manter fixa e com isso teremos a variação de potência com o incremento ou decremento da vazão.

Principio do perfil térmico / aumento de temperaturaUm aquecimento é gerado internamente no medidor de vazão e aplicado ao meio (fluxo). Dois elementos sensores são posicionados internamente para medir a variação da temperatura entre diferentes pontos. Algumas vezes 2 aquecedores e 3 sensores são empregados para dar um preenchimento as figuras do perfil térmico. Quando não ocorre vazão, todos os sensores indicam a mesma temperatura.

Bibliografia

Flow HandbookEndress+Hauser

AutoresMatthias Altendorf Ulrich LeardiDr. Peter Berrie Dr. Helga LinnartzHege Bjonnes Jason MetcalfeFinn Bloch Jensen Andres PlussFrank Bonschab Hans PohlMichael Carr François PautoisMarco Colucci John SalusburyDr. Aline Cossy Dieter SchaudelUtz Dette Andreas SchindlerWalter Eckert Matthias SchurchHarald Freimark Oliver SeifertDr. Richard Furness Rolf SonderkampBernhard Gerdes Dr. Wihelm StaudtHeinz Hafelfinger Kilian SternMichael Herzog Daniel TschoppDr. Gerhard Jost Jurg Wyss

Endress+Hauser Controle e Automação LtdaAv. Pedro Bueno, 933 – Parque JabaquaraSão Paulo – SP CEP: 04342-010Tel: +55 11 5033-4333Fax: +55 11 5033-4334Informações: info@endress.com.br