medidor de Vazão

15
GIMSCOP-Grupo de Integração, Modelagem, Simulação, Controle e Otimização de Processos Departamento de Engenharia Química / Univ. Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) ENG 07759 - Instrumentação da Indústria Química - Prof. Dr. Jorge O. Trierweiler 1 / 15 1. Introdução 1.1. Classificação Um medidor de vazão é um dispositivo que produz uma forma qualquer de interação mensurável com o fluido cuja vazão de escoamento se quer medir, sendo posteriormente a perturbação medida e convertida em um valor de vazão. Uma classificação dos medidores de vazão pode ser feita pelo tipo de interação do medidor com o sistema. Assim, tem-se: Medidores baseados na retirada de energia do sistema: Placa de orifício, bocal, Venturi, baseados na queda de pressão (variável). Deslocamento positivo: baseado no movimento imposto ao dispositivo. Tipo vórtex. Rotâmetro: baseado na queda de pressão (constante). Turbina: baseado na velocidade do fluido. Medidores baseados na adição de energia ao sistema: Tipo magnético. Térmico: baseado na troca térmica. Ultrasônico. De coriólis. 1.2. Critérios de escolha do tipo de medidor A escolha do tipo de medidor de vazão mais apropriado para um determinado processo pode ser realizada utilizando como base os seguintes fatores: 1. Condições de operação: Vazão máxima que será medida, temperatura e pressão de operação, viscosidade do fluido, corrosividade do meio, etc. 2. Desempenho: Acuracidade, reprodutividade e rangeabilidade. 3. Fatores adicionais: Material de construção, queda de pressão provocada pelo instrumento de medida, características de instalação (vertical, horizontal, comprimento de tubulação livre, etc.), cavitação, fatores econômicos, entre outros. 2. Medidores por pressão diferencial variável Medidores de pressão diferencial variável operam através da medida da diferença de pressão produzida por uma constrição no escoamento. Disposta de forma conveniente na tubulação, a constrição produz uma restrição das linhas de fluxo, o que induz a uma queda de pressão P. Para escoamentos em regime turbulento a vazão é diretamente proporcional a raiz quadrada da queda de pressão (Q α -P ) enquanto que para escoamentos laminares (baixos Reynolds) é diretamente proporcional a queda de pressão (Q α -P ).

Transcript of medidor de Vazão

Page 1: medidor de Vazão

GIMSCOP-Grupo de Integração, Modelagem, Simulação, Controle e Otimização de ProcessosDepartamento de Engenharia Química / Univ. Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS)

ENG 07759 - Instrumentação da Indústria Química - Prof. Dr. Jorge O. Trierweiler 1 / 15

1. Introdução

1.1. ClassificaçãoUm medidor de vazão é um dispositivo que produz uma forma

qualquer de interação mensurável com o fluido cuja vazão de escoamentose quer medir, sendo posteriormente a perturbação medida e convertidaem um valor de vazão.

Uma classificação dos medidores de vazão pode ser feita pelo tipode interação do medidor com o sistema. Assim, tem-se:

♦ Medidores baseados na retirada de energia do sistema:• Placa de orifício, bocal, Venturi, baseados na queda de pressão

(variável).• Deslocamento positivo: baseado no movimento imposto ao

dispositivo.• Tipo vórtex.• Rotâmetro: baseado na queda de pressão (constante).• Turbina: baseado na velocidade do fluido.

♦ Medidores baseados na adição de energia ao sistema:• Tipo magnético.• Térmico: baseado na troca térmica.• Ultrasônico.• De coriólis.

1.2. Critérios de escolha do tipo de medidorA escolha do tipo de medidor de vazão mais apropriado para um

determinado processo pode ser realizada utilizando como base osseguintes fatores:1. Condições de operação: Vazão máxima que será medida, temperatura e

pressão de operação, viscosidade do fluido, corrosividade do meio, etc.2. Desempenho: Acuracidade, reprodutividade e rangeabilidade.3. Fatores adicionais: Material de construção, queda de pressão provocada

pelo instrumento de medida, características de instalação (vertical,horizontal, comprimento de tubulação livre, etc.), cavitação, fatoreseconômicos, entre outros.

2. Medidores por pressão diferencial variávelMedidores de pressão diferencial variável operam através da

medida da diferença de pressão produzida por uma constrição noescoamento. Disposta de forma conveniente na tubulação, a constriçãoproduz uma restrição das linhas de fluxo, o que induz a uma queda depressão ∆P. Para escoamentos em regime turbulento a vazão é diretamente

proporcional a raiz quadrada da queda de pressão (Q α

-∆P ) enquanto quepara escoamentos laminares (baixos Reynolds) é diretamente proporcionala queda de pressão (Q α -∆P ).

Page 2: medidor de Vazão

GIMSCOP-Grupo de Integração, Modelagem, Simulação, Controle e Otimização de ProcessosDepartamento de Engenharia Química / Univ. Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS)

ENG 07759 - Instrumentação da Indústria Química - Prof. Dr. Jorge O. Trierweiler 2 / 15

Os medidores de vazão por pressão diferencial variável podem sergenericamente divididos em duas partes. Uma parte, chamada de elementoprimário, é a que entra em contato direto e interage com o fluido. A outraparte, o elemento secundário, serve para a conversão da interaçãoocorrida em vazão ou massa.

O elemento primário constitui a constrição, sendo os mais utilizadosa placa de orifício, o tubo Venturi, o bocal de vazão e o tubo de Pitot. Oelemento secundário constitui o medidor de pressão, que pode ser um dosinstrumentos para a medição de pressão. O mais usado é o medidor dediferença de pressão do tipo capacitivo.

O princípio de funcionamento destes medidores está baseado na Leida conservação de energia, expressa pela equação de Bernoulli [Bird60,Cap.7]:

021 2

=+∆⋅+

∆⋅+

∆v

ccf

gzg

gvP

ρ(1)

onde fv é a perda de carga por atrito, dada por:

2

21 vKf fv ⋅⋅= (2)

onde Kf é praticamente constante para fluidos em escoamento turbulento.

P. ex., para placas de orifício com bordas retas para escoamentosturbulentos

Kf = 2,7(1-β)(1-β2)/β2

onde β é a relação entre o diâmetro do placa de orifício (d) e o diâmetroda tubulação (D), ou seja, β = d/D.

Se aplicarmos a equação de Bernoulli à seção da tubulação ondeestá instalada a restrição, Fig. 1, poderemos, se considerarmos que nãohaja variação na altura e que as velocidades na entrada e na saída sejam asmesmas (uma vez os diâmetros da tubulação são iguais), tem-se:

2

21 vKP

f ⋅⋅=∆

−ρ

(3)

Definindo a constante C = 2 / ρ.Kf, lembrando que a vazão é oproduto da velocidade pela área de escoamento e rearranjando a equaçãoacima, obtém-se:

PCAvAQ ∆−⋅⋅=⋅= (4)

onde v é a velocidade da corrente principal, A é a área da seçãotransversal da tubulação, -∆P=P2-P1 é a queda de pressão através daconstrição e Q é a vazão.

Observa-se que esta dedução considera fluido incompressível,temperatura constante e tomadas de pressão afastadas da constrição.Normalmente, porém, evita-se a medição em pontos afastados para

Page 3: medidor de Vazão

GIMSCOP-Grupo de Integração, Modelagem, Simulação, Controle e Otimização de ProcessosDepartamento de Engenharia Química / Univ. Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS)

ENG 07759 - Instrumentação da Indústria Química - Prof. Dr. Jorge O. Trierweiler 3 / 15

diminuir erros de leitura, utilizando-se pontos próximos da constrição ondeo ∆P é maior, não permitindo que a variação de velocidade sejadesprezada.

Analisando a equação (4) vê-se que quanto maior for a vazão, maiorserá a queda de pressão. Da mesma forma, também será maior a queda depressão permanente provocada pela constrição. Ainda, se a pressão cairaté um valor inferior à pressão de vapor do fluido em escoamento ocorre ofenômeno de cavitação, produzindo ondas de choque. Desta forma, o idealé colocar a placa de orifício o mais próxima da bomba possível onde apressão de entrada é maior.

A perda de carga permanente pode ser diminuída utilizando placasde orifício de paredes arredondadas, as quais são por outro lado bem maisonerosas que as de bordas retas.

P1 P2

Fig.1: Perfil de pressão gerado por uma placa de orifício

No caso de líquidos com sólidos em suspensão (ou gases comgotículas) podem utilizar-se placas de orifício excêntrico ou segmentado, afim de evitar o acúmulo de material na entrada da placa. Este tipo deorifícios estão representados na Fig. 2 a seguir.

Fig.2: Placas de orifício modificadas: (a) excêntrica e (b) segmentada.

(a) (b)

Page 4: medidor de Vazão

GIMSCOP-Grupo de Integração, Modelagem, Simulação, Controle e Otimização de ProcessosDepartamento de Engenharia Química / Univ. Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS)

ENG 07759 - Instrumentação da Indústria Química - Prof. Dr. Jorge O. Trierweiler 4 / 15

Nota-se também que para utilizar este método é necessário um bomtrecho reto de tubulação, sem acessórios, para evitar a influência destesno escoamento. As distâncias mínimas à jusante e à montante necessáriaspara o desenvolvimento do fluxo para que esse não afete a precisão damedida de uma placa de orifício são mostradas na Fig. 3. Observe que ocomprimento mínimo de tubo requerido depende da razão entre o diâmetroda constrição e o diâmetro da tubulação, β=d/D. Aumentando o diâmetroda constrição para um dado diâmetro de tubo aumenta o requerimento detubo reto, pois a influência dos acidentes da linha na medida realizadaaumenta.

Fig.3: Comprimentos à jusante (depois da placa de orifício) ou à montante

(antes da placa de orifício) necessários para a correta instalação deplacas de orifício

2.1. Elementos primários

2.1.1. Placa de orifícioÉ o tipo de elemento primário mais utilizado devido à

reprodutividade, facilidade de instalação e remoção, e baixo custo.Consiste de uma fina placa plana que possui um orifício perfurado nela, emposição que varia segundo a aplicação, a qual é disposta transversalmenteao fluxo. O fluido é forçado a atravessar a placa, ocorrendo uma perda depressão considerável. As linhas de fluxo atingem uma área transversalmínima, ou vena contracta, numa posição além da placa de orifício. Alocalização da vena contracta é uma função da velocidade do fluido e darelação entre diâmetros, β.

As tomadas de pressão podem ser localizadas em diversos pontos.Os pontos mais utilizados são descritos a seguir:

Placa de Orifício Danificada.Pode-se perceber que ela estádeformada (torta).

Page 5: medidor de Vazão

GIMSCOP-Grupo de Integração, Modelagem, Simulação, Controle e Otimização de ProcessosDepartamento de Engenharia Química / Univ. Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS)

ENG 07759 - Instrumentação da Indústria Química - Prof. Dr. Jorge O. Trierweiler 5 / 15

♦ Tomadas no flange: Estão localizadas a 1 polegada da placa de orifício,tanto a montante quanto a jusante. São utilizadas em tubulações dediâmetro considerável e apresentam a vantagem de poderem serutilizadas para ambos sentidos de fluxo, pela simetria.

♦ Tomadas no canto: Localizam-se diretamente nas faces da placa deorifício. São indicadas para tubulações de pequeno diâmetro eapresentam a vantagem de poder ser realizadas na própria placa,fazendo desnecessárias aberturas adicionais.

♦ Tomadas na tubulação: A tomada a montante situa-se a 2 ½ diâmetros detubo da placa de orifício e a tomada a jusante a 8 diâmetros de tubo.Este tipo de tomadas pode apresentar erros muito elevados.

♦ Tomadas no raio: Localizam-se a 1 diâmetro a montante da placa deorifício e ½ a jusante. São consideradas como as melhor posicionadas,pois a tomada a jusante se encontra aproximadamente na metade daregião da vena contracta, enquanto a tomada a montante se encontrasuficientemente afastada da placa, numa região onde as linhas de fluxoainda não foram muito afetadas pela presença da constrição.

♦ Tomadas na vena contracta: Utilizadas para escoamento de vapor. Estãolocalizadas a 1 diâmetro a montante e no ponto de mínima pressão ajusante da placa.

Fig.4 Perfil de pressão através de uma placa de orifício e os diferentesmétodos para detectar a queda de pressão.

Estas tomadas são representadas na Fig. 4, a seguir. Esta figuramostra o perfil de pressão estática ao longo da tubulação que consta comuma placa de orifício, assim como os diferentes tipos de tomadas depressão mencionadas acima. O procedimento para o dimensionamente deplacas de orifício pode ser encontrado em [Lip95a, 2.14].

FILME:

Placas de orifício instaladas nasplantas da Copesul e daBraskem/PP

Page 6: medidor de Vazão

GIMSCOP-Grupo de Integração, Modelagem, Simulação, Controle e Otimização de ProcessosDepartamento de Engenharia Química / Univ. Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS)

ENG 07759 - Instrumentação da Indústria Química - Prof. Dr. Jorge O. Trierweiler 6 / 15

2.1.2. Tubo VenturiO tubo Venturi constiste em um curto tubo com uma seção cônica

convergente, com ângulo de entrada de 21°, conectada a uma seçãocilíndrica (garganta) de diâmetro menor que o da tubulação e seguida deuma seção divergente, com ângulo de saída de aproximadamente 10°.

Fig.5: Esquema ilustrativo de um tubo Venturi.

As tomadas de pressão indicadas na figura são as mais utilizadaspara o tubo Venturi, estando localizada a primeira um pouco antes da seçãoconvergente e a segunda exatamente na metade da garganta.

O tubo Venturi é o elemento primário mais recomendável paramedição de líquidos com grande concentração de sólidos em suspensão,desde que a relação sólido-líquido permaneça constante (maior relação,maior diferencial de pressão). Este tipo de constrição provoca umarestrição mais suave das linhas de fluxo, ocasionando uma menor queda depressão permanente. É utilizado para vazões consideráveis e apresenta aprincipal desvantagem de ser muito mais caro e de ocupar muito maisespaço para a instalação que outros elementos primários. É adequadotambém para a medição de gases.

2.1.3. Bocal de vazão (flow nozzle)Consiste em um dispositivo em forma de sino vazado, com a parte

superior alongada. A entrada possui forma cônica e é seguida de uma seçãocilíndrica, com comprimento da ordem da metade do diâmetro da seção deentrada. Um bocal de vazão é representado na a seguir.

Fig.6: Bocal de vazão.As tomadas de pressão são geralmente realizadas a 1 diâmetro de

tubo a montante e a ½ a jusante. O perfil do bocal acompanha as linhas defluxo, de modo que não há formação de uma vena contracta.

O bocal de vazão é mais adequado para operar com gases ou vaporesdo que com líquidos. Sua capacidade de vazão é cerca de 65% maior que a

Page 7: medidor de Vazão

GIMSCOP-Grupo de Integração, Modelagem, Simulação, Controle e Otimização de ProcessosDepartamento de Engenharia Química / Univ. Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS)

ENG 07759 - Instrumentação da Indústria Química - Prof. Dr. Jorge O. Trierweiler 7 / 15

da placa de orifício nas mesmas condições, sendo portanto recomendávelpara medir fluidos de alta velocidade. Apresenta também menor perda decarga que a placa, entretanto seu custo é elevado e a precisão baixa.

Pode ser utilizado com fluidos com pequena quantidade de sólidosem suspensão com melhores resultados que a placa de orifício, desde queinstalado na vertical com fluxo descendente.

2.1.4. Tubo de PitotO tubo de Pitot é um instrumento que mede a velocidade local de

escoamento através de leituras de diferença de pressão, podendo serutilizado para medir vazão se o perfil de velocidade for uniforme ou sevários pontos forem medidos.

Fig.7: Tubo de Pitot.

Utilizado quando não se deseja grande precisão em tubos de grandediâmetro, apresenta a vantagem de ter baixo custo. As principaislimitações são a ocorrência de entupimentos no caso de líquidos comsólidos em suspensão ou gases com parcelas líquidas e alteração do perfilde escoamento.

O perfil de escoamento geralmente não é uniforme e o diferencialde pressão gerado é pequeno, fazendo com que a medida da vazão sejaimprecisa. Para a obtenção de uma medida precisa é requerido um tubobem desenhado e alinhamento perfeito deste com a direção do fluxo.

2.1.5. V-Conus V-Conus é a versão moderna dos elementos primários. Foi

especialmente desenvolvido para aumentar a acuracidade das medidas. Em[Lip95a, 2.26 (em anexo)] o V-Conus é detalhadamente discutido.

FILME:

Linha de água com medição devazão volumétrica através deTubo de Pitot.

Page 8: medidor de Vazão

GIMSCOP-Grupo de Integração, Modelagem, Simulação, Controle e Otimização de ProcessosDepartamento de Engenharia Química / Univ. Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS)

ENG 07759 - Instrumentação da Indústria Química - Prof. Dr. Jorge O. Trierweiler 8 / 15

2.2. DesempenhoA rangeabilidade dos medidores de vazão por pressão diferencial

depende do medidor de pressão e não do elemento primário. Modificandoas exigências do instrumento de medida, isto é, as vazões de operação, nãoé preciso trocar o elemento primário mas sim o tipo de medidor depressão. Normalmente os medidores de pressão apresentam umrangeabilidade de 10:1 a qual após extraída a raiz quadrada leva a típicarangeabilidade de 3,5:1 para medidores baseados na diferença de pressão.

A acuracidade depende do elemento primário. Assim, tem-se:

◊ Placa de orifício: ± 0,6% da vazão máxima.

◊ Tubo Venturi: ± 1,0% da vazão máxima.

◊ Tubo de Pitot: ± 5,0% da escala total (FS)

◊ V-Conus ± 0,5% da vazão medida

3. Medidores por área variável (Pressão diferencialconstante)

Neste tipo de medidor o fluido passa por uma constrição de áreaque varia com a vazão, de forma que a diferença de pressão é constante.

Deste tipo é o conhecido rotâmetro, o qual consiste de um tubocônico com um dispositivo flutuante que se movimenta livremente pelotubo. O sentido do fluxo é ascendente e quando o empuxo exercido noflutuador iguala a força da gravidade este fica estático. O tubo é cônicode forma a que exista uma relação linear entre a vazão e a posição doflutuador. Uma escala é gravada no tubo para permitir a leiturainstantânea de vazão.

FILME:

Rotâmetro instalado naBraskem/PP.No exemplo, para N2 a 0,5bar e20oC.

DispositivoFlutuante

Page 9: medidor de Vazão

GIMSCOP-Grupo de Integração, Modelagem, Simulação, Controle e Otimização de ProcessosDepartamento de Engenharia Química / Univ. Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS)

ENG 07759 - Instrumentação da Indústria Química - Prof. Dr. Jorge O. Trierweiler 9 / 15

Fig.8: Componentes básicos de um rotâmetro.

Rotâmetros são utilizados para líquidos não muito viscosos (<100cP), gases e vapores a baixas pressões e apresenta a exigência deinstalação exclusivamente vertical. Os rotâmetros são calibrados para umadada temperatura e fluido. Sua rangeabilidade é normalmente da ordem de10:1 e sua acuracidade de ±1% FS na faixa de 10 a 100%. Em geral, asensibilidade diminui com o aumento de tamanho do instrumento.

4. Medidores de deslocamento positivoMedidores de deslocamento positivo (positive displacement, PD) são

indicados para líquidos viscosos. São medidores do tipo volumétrico quedividem a corrente de fluido em unidades discretas de volume e medem onúmero de unidades passando através do dispositivo. O instrumentocaptura um determinado volume de fluido em uma câmara de medição edepois conta cada um das unidades de volume capturadas.

Existem diversas configurações de medidores PD, como porexemplo o de pistão oscilante, disco rotativo, engrenagem oval, lóbulorotativo, entre outros. Cada um deles consta de uma câmara e um elementode medição móvel, o qual se movimenta dentro da câmara com pouco ounenhum contato com ela, exigindo vedação entre ambas partes. Qualquerpequena diferença de pressão resulta no movimento do elemento de

Page 10: medidor de Vazão

GIMSCOP-Grupo de Integração, Modelagem, Simulação, Controle e Otimização de ProcessosDepartamento de Engenharia Química / Univ. Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS)

ENG 07759 - Instrumentação da Indústria Química - Prof. Dr. Jorge O. Trierweiler 10 / 15

medida, movimento que é transmitido a um registrador externo paracontagem.

A existência de vedação pode implicar em de perdas. Este fato fazque os medidores PD sejam sensíveis a mudanças de viscosidade do fluidopara viscosidades abaixo de 100 cP, devendo ser calibrado para um fluidoespecífico. Acima deste valor o desempenho não é afetado por variaçõesde viscosidade.

As principais vantagens deste tipo de medidor são uma amplarangeabilidade, geralmente 10:1 ou melhor, o fato de não ser necessário ofornecimento de energia e boa imunidade a acidentes na linha deescoamento. A precisão máxima pode atingir 1% FS. Desvantagens são apossível ocorrência de entupimentos ou corrosão, sendo portanto indicadoo uso em fluidos não abrasivos e isentos de partículas em suspensão.

5. Medidores tipo vórtexBaseiam-se no princípio de formação de vórtices. Isto acontece

quando ocorre escoamento através de um corpo disposto no centro datubulação. A baixas velocidades as linhas de fluxo tomam a forma docorpo, mas com o aumento da mesma o fluido não consegue mais fazê-lo ehá separação das linhas do corpo. Esta separação provoca a formação devórtices, que são zonas instáveis de baixa pressão. Um padrão regular deformação se estabelece: um vórtex aparece ora de um lado ora do outro docorpo. A freqüência de formação destes vórtices é direta e linearmenteproporcional à velocidade de escoamento e portanto, para uma dada áreade escoamento, proporcional à vazão.

Existem várias formas de detectar a formação dos vórtices. Podemser utilizados sensores que respondem a características dos vórtices taiscomo velocidade pontual elevada ou baixa pressão. A freqüência deformação dos vórtices pode também ser medida pelas variações depressão através do corpo. Para tanto é normalmente utilizado um sensorpiezoelétrico e o sinal obtido é convertido em medida de vazão.

Fig.9: Medidor tipo vórtex.

Medidores tipo vórtex constituem uma boa alternativa às placas deorifício, porém são limitados a fluidos de baixa viscosidade (≤ 10 cP) evelocidades mínimas de escoamento, ou número de Reynolds > 10000. Arangeabilidade é normalmente de 8:1 e a acuracidade de ± 2% FS.

FILME:

Medidor de vazão do tipo vortex.

Page 11: medidor de Vazão

GIMSCOP-Grupo de Integração, Modelagem, Simulação, Controle e Otimização de ProcessosDepartamento de Engenharia Química / Univ. Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS)

ENG 07759 - Instrumentação da Indústria Química - Prof. Dr. Jorge O. Trierweiler 11 / 15

6. Medidores eletromagnéticosBaseiam-se na Lei de Faraday da indução eletromagnética. Esta Lei

diz que tensão é induzida pelo movimento de um condutor através de umcampo magnético:

V = B.v.D (5)

onde V é a tensão, B é a densidade do fluxo magnético, v é avelocidade de escoamento e D é a distância entre eletrodos. Sendo o fluxomagnético e a distância constantes, a tensão gerada é proporcional àvelocidade.

Fig.10: Medidor eletromagnético.

Em um medidor de vazão eletromagnético um campo magnético éestabelecido através de uma seção de tubulação de material isolante,perpendicularmente à direção de escoamento de um fluido comcaracterísticas de condutor elétrico. Uma tensão é induzida pelomovimento do fluido através do campo e sua amplitude é proporcional àvelocidade (vazão) de escoamento.

Este tipo de medidor apresenta a vantagem de não entrar emcontato com o fluido e portanto não provoca perdas de carga nem altera operfil de escoamento. Ainda, permite sua utilização para fluidos corrosivose/ou com sólidos em suspensão ou borras. A limitação principal é anecessidade do fluido ser condutor elétrico. É amplamente utilizado paraácidos, bases e sais em solução, não podendo ser utilizado para petróleo ouderivados.

Para evitar o acúmulo de material nas paredes da tubulação e paraauto zerar o instrumento utiliza-se um campo magnético de polaridadevariável. Sua rangeabilidade é da ordem de 100:1 e a acuracidade de ±0,2% da vazão medida.

7. Medidores ultra-sônicosMedidores ultra-sônicos utilizam pulsos de ondas moduladas de

pressão (ondas sonoras), as quais são emitidas dentro da tubulação, nosentido da corrente e no sentido oposto à corrente de fluido. Estes sinaissão emitidos alternadamente e ocorre uma diferença no tempo de

FILME:

Medidor de vazãoeletromagnético instalado nocarregamento rodoviário daCopesul.

Transmissor

Page 12: medidor de Vazão

GIMSCOP-Grupo de Integração, Modelagem, Simulação, Controle e Otimização de ProcessosDepartamento de Engenharia Química / Univ. Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS)

ENG 07759 - Instrumentação da Indústria Química - Prof. Dr. Jorge O. Trierweiler 12 / 15

transmissão através do fluido em função da corrente agir a favor domovimento de um sinal e contra o movimento do outro. Esta diferença éproporcional à velocidade de escoamento. Assim, estes sinais podem serconvertidos em medida de vazão. O medidor descrito é chamado demedidor de tempo de vôo (time-of-flight, TOF) e existe em diversasconfigurações.

Fig. 11: Medidor ultrassônico de tempo de vôo em uma de suasconfigurações.

Medidores TOF são utilizáveis com líquidos e gases sem partículasem suspensão. Apresentam a vantagem de não entrar em contato com ofluido, não provocando perdas de carga e sendo aplicáveis a líquidoscorrosivos. A principal limitação é seu custo elevado. Acuracidade típica éda ordem de ± 0,5% FS.

No caso de fluidos com sólidos em suspensão, utiliza-se o efeitoDoppler , o qual permite determinar a velocidade de escoamento daspartículas pela variação de freqüência do sinal que se reflete nelas.Utiliza-se um sinal contínuo de freqüência determinada emitido por umafonte fixa, sendo portanto a variação de freqüência deste sinal pelo efeitoDoppler proporcional à vazão de escoamento. Existe porém uma faixa dediâmetros de partícula e uma concentração mínima necessárias para queeste efeito possa ser utilizado na medida da vazão de suspensões. Omedidor Doppler em geral não apresenta acuracidade melhor que ± 1% FS.

Tanto o medidor ultra-sônico tipo TOF quanto o Doppler sãoafetados pelo perfil de velocidades do escoamento.

8. Medidor de massa (Coriólis)A medida da vazão mássica com base no princípio de coriólis é uma

das mais recentes introduções na área de medição industrial de vazão.

Para que uma força de coriólis surja são necessários trêsparâmetros: uma massa, um veículo em rotação e um movimento da massa

FILME:

Medidor de vazão ultrasônico emum flare da Copesul.

Page 13: medidor de Vazão

GIMSCOP-Grupo de Integração, Modelagem, Simulação, Controle e Otimização de ProcessosDepartamento de Engenharia Química / Univ. Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS)

em relação ao veículo tal como ilustrado na Fig. 12. A equação que descrevea relação entre estes parâmetros é:

→→→×= vmFC ω..2 (5)

onde Fc é a força de coriólis desenvolvida, m é a massa, w é a velocidadeangular do veículo, v é a velocidade relativa ao veículo e × indica o produtovetorial entre as velocidades.

Fig.12: Origem da aceleração de coriólis.

Observe que na equação (5) a velocidade angular não precisa sermantida constante e, de fato, pode ser alternada. Esta característicapermite que o princípio de coriólis seja aplicado para a medida do fluxomássico. Para utilizar este princípio, um tubo no qual o fluido escoa ésubmetido a vibração (em geral na freqüência de ressonância do tubo paraminimizar os requerimentos energéticos). À medida que o fluido escoaatravés do tubo ele se opõe ao movimento vibratório e provoca umadeformação no tubo. A magnitude da deformação é proporcional à taxa defluxo mássico. Medindo esta deformação, ou deslocamento do ângulo defase da condição de fluxo nulo, uma leitura direta de vazão mássica podeser obtida. A fig. 13 ilustra o princípio de coriólis aplicado a um modelo emU.

FILME:

Medidor mássico de propeno naalimentação de um dos reatoresda Braskem.Fabricante: Micromotion

Medidor de vazão mássicapelo efeito coriólis utilizadona Copesul.

ENG 07759 - Instrumentação da Indústria Química - Prof. Dr. Jorge O. Trierweiler 13 / 15

Page 14: medidor de Vazão

GIMSCOP-Grupo de Integração, Modelagem, Simulação, Controle e Otimização de ProcessosDepartamento de Engenharia Química / Univ. Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS)

ENG 07759 - Instrumentação da Indústria Química - Prof. Dr. Jorge O. Trierweiler 14 / 15

Fig.13: Princípio de coriólis aplicado a um tubo em U. As forças de coriólisdeformam o tubo num eixo perpendicular ao eixo de vibração.

Existem várias configurações de tubos, como o tubo helicoidal,como o tubo em Ω, em raquete, reto, em S, em Z e em hélice ou espiral. Amaioria dos modelos emprega dois tubos com uma mesma alimentação edescarga, o que permite uma medida relativa entre ambos tubos ao invésde uma medida relativa ao chão a qual é mais susceptível a ruídos causadospor efeitos de vibração, temperatura ou pressão. A Fig. 14 dá uma idéiados diferentes formatos de medidores de coriólis mais comumenteencontrados.

Fig.14: Diferentes configurações dos medidores do tipo coriólis.

Medidores de coriólis apresentam rangeabilidade de 10:1 e elevadaacuracidade, da ordem de ± 0,2% da vazão máxima. São tipicamente usadosem líquidos e borras, sem gases dissolvidos.

Page 15: medidor de Vazão

GIMSCOP-Grupo de Integração, Modelagem, Simulação, Controle e Otimização de ProcessosDepartamento de Engenharia Química / Univ. Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS)

ENG 07759 - Instrumentação da Indústria Química - Prof. Dr. Jorge O. Trierweiler 15 / 15

A principal desvantagem é a grande perda de carga que o tortuosocaminho imposto pelo tubo do medidor provoca no fluido. Considerações deperda de pressão se tornam mais importantes com o aumento daviscosidade. São também muito sensíveis a vibrações externas e nãopodem ser utilizados com diâmetros muito grandes de tubo. Porém, estetipo de medidor é especialmente vantajoso para fluidos que requeremmedida mássica direta, como combustíveis, pois elimina a necessidade dequalquer tipo de compensação ou conversão de medidas volumétricas.

9. Calha de ParshallAssim como o vertedor, a calha Parshall é um medidor de vazão

volumétrica utilizado para fluidos com sólidos em suspensão,principalmente em estações de tratamento de efluentes.

O medidor tipo calha de Parshall é um tipo de Venturi aberto quemede a altura estática do fluxo. É mais vantajoso que o vertedor porqueapresenta menor perda de carga.

Para a medida da altura, pode ser utilizado, por exemplo ummedidor de nível ultrasônico, como é visto no exemplo, onde é apresentadoum medidor de vazão de água da saída das torres de resfriamento daCopesul.

10. Referências e Anexos

[Bird60] Bird, Stewart, Lightfoot, “Transport Phenomena”, WileyInternational Edition, (1960)

[Lip95a] Lipták, ” Process Measurement and Analysis Handbook “,3rdedition, Chilton-Press (1995).

Em anexo:• “Application and Selection of Flow Measurement”, [Lip95a, 2.1]• Procedimento para o dimensionamento de placas de orifício [Lip95a,

2.14]• Detalhes sobre o elemento primário V-Conus [Lip95a, 2.26].

FILME:

Calha de Parshall.

Fluxo