Artigo Medidores De Vazão Linear

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MEDIDOR DE VAZÃO LINEAR MARLON GEMIN1, RICARDO PREIS2 , PAULO ROBERTO LAGOS3 1- Acadêmico do Curso de Bacharelado em Engenharia Mecânica da Universidade Tuiuti do Paraná (Curitiba, PR). Email: [email protected] 2 - Acadêmico do Curso de Bacharelado em Engenharia Mecânica da Universidade Tuiuti do Paraná (Curitiba, PR). Email: [email protected] 3 – Professor Paulo Roberto Lagos formação acadêmica: Graduação em licenciatura em física (2005 – 2008) pelo Centro Universitário Campos de Andrade, Especialização em Laboratório Didático, Física Moderna e Contemporânea (2009 – 2010) pelo Centro Universitário Campos de Andrade. Email: [email protected] RESUMO: A medição de vazão linear é essencial em todas as fases da manipulação de fluidos, incluindo a produção, o processamento, a distribuição e as utilidades. Ela está associada com o balanço do processo e está diretamente ligada aos aspectos de compra e venda dos produtos. A vazão de fluidos é complexa e nem sempre sujeita à análise matemática exata. Diferente do sólido, os elementos de um fluido vazando podem mover em velocidades diferentes e podem ser sujeitos a acelerações diferentes. PALAVARAS- CHAVES: Medidor, Metrologia, Vazão. Endereço eletrônico:Paulo Roberto Lagos, [email protected]·. 2 ABSTRACT: The linear flow measurement is critical at all stages of fluid handling, including production, processing, distribution and utilities. It is associated with the balance of the process and is directly linked to aspects of buying and selling of products. The flow of fluid is complex and not always subject to the exact mathematical analysis. Unlike the solid elements of a leaking fluid can move at different speeds and can be subjected to different accelerations. KEY- WORDS: Meter, Metrology, Flow. 1. INTRODUÇÃO Quando falamos de medição de vazão linear devemos lembra primeiramente do que se trata uma medição. Consiste em comparar a quantidade de uma unidade de medida com um padrão já pré-definido com a sua unidade de medida estabelecida. Para que a isto seja possível, ambas as dimensões e unidades devem estar sob a mesma magnitude, deve-se levar em conta que todas apresentam uma margem de erro, seja por imperfeições do próprio equipamento utilizado para medição ou por erros experimentais. Se tratando de vazão podemos descrever como uma quantidade de produto ou de utilidade expressa em massa ou volume por um determinado tempo, ou expressada por unidade de tempo. Esta medição deve ser precisa e confiável para que não ocorram erros, para isso requer uma correta engenharia que envolve a seleção do instrumento, instalação, operação, manutenção e a interpretação dos resultados obtidos. Com isso foi feito uma pesquisa a respeito dos medidores de vazão linear na qual serão citados todos eles no decorrer do trabalho. 3 2. METODOLOGIA Realizar uma pesquisa a respeito de medidores de vazão linear, hoje muitos utilizados principalmente em vazão de fluidos. Os diferentes modelos de medidores que podem ser utilizados, especificações de diferentes medidores, suas vantagens e desvantagens. Com isso aderir novos conhecimentos para pode ser utilizada durante toda engenharia. 3. DESENVOLVIMENTO Existem os seguintes tipos de medidores de vazão linear que produzem um sinal de saída diretamente proporcional à vazão. São divididos em: Medidor de área variável (Rotador), eletromagnético, ultrassônico, turbina, Coriolis e vortex. 3.1 ROTÂMETROS São medidores de vazão por área variável nos quais um flutuador varia sua posição dentro de um tubo cônico, proporcionalmente à vazão do fluido. Um rotâmetro consiste de duas partes: A primeira parte é um tubo de vidro de formato cônico, o qual é colocado verticalmente na tubulação em que ira passar o fluido que queremos medir, e a segunda parte no interior do tubo cônico teremos um flutuador que ira se mover verticalmente, em função da vazão medida. Figura 1: imagem de um Rotâmetro. 4 O fluido passa através do tubo da base para o topo. Quando não haja vazão, o flutuador permanece na base do tubo e seu diâmetro maior é usualmente selecionado de tal maneira que bloqueie a pequena extremidade do tubo, quase que completamente. Quando a vazão começa e o fluido atinge o flutuador mais leve, o flutuador tem uma densidade maior que a do fluido, faz com que o empuxo não seja suficiente para levantar o flutuador. A área de passagem oferece resistência à vazão e a queda de pressão do fluido começa a aumentar. Quando a pressão diferencial, somada ao efeito de empuxo do liquido, excede a pressão devido ao peso do flutuador, então o flutuador sobe e flutua na corrente fluida. Com o movimento ascendente do flutuador em direção à parte mais larga do tubo, a área anular e a periferia do flutuador aumentam. Como a área aumenta, o diferencial de pressão descresse com isso o flutuador ficara em equilíbrio dinâmico quando a pressão diferencial somada ao efeito do empuxo contrabalançar o peso do flutuador. 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 a um valor determinado de vazão e somente um. 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, possuem dois principais tipos de rotâmetros, o Vertedor e a calha de Parshall. O vertedor mede a altura estática do fluxo em reservatório que verte o fluido de uma abertura de forma variável. Figura 2: vertedor esquematizado Figura 3: imagem de um vertedor. 5 Já o medidor tipo calha de Parshall é um tipo de Venturi aberto que mede a altura estática do fluxo. É um medidor mais vantajoso que o vertedor, porque apresenta menor perda de carga e serve para medir fluidos com sólidos em suspensão. Figura 4: imagem esquemática de uma calha Parshall convencional. Vantagens Desvantagens Vazão Diâmetro da linha Precisão Range de medição Repetibilidade Custo Pressão máxima Medição local e direta da vazão Pequena perda de carga e pressão constante Pode comparar densidade e viscosidade Aplicação com baixa pressão Precisão razoável para ruim 0,01 cm^3/min a 15 m3/min (líquidos) 0,3 cm^3/min a 400 m^3/min (gases) 6 a 150 mm Pode variar entre ±0,5 a ±10% da escala 1 ~ 10 ± 0,5 % F.S. Relativamente baixo 25 Kgf/cm^2 (tubo de vidro); 50 Kgf/cm^2 (tubos metálicos). Tabela 1: especificações do medidor tipo rotâmetro. 6 3.2 VORTEX São utilizados na medição de vazão de líquidos de baixa viscosidade, gases e vapor (saturado e superaquecido). Os medidores Vortex se caracterizam pela ausência de partes moveis em contato com o fluido, baixa perda de carga e boa precisão. Ele consta de uma geometria definida colocado de forma a obstruir parcialmente uma tubulação em que escoa um fluido, formando vórtices, que se desprendem alternadamente de cada lado do anteparo, como mostrado na figura 5. A vazão volumétrica do fluido pode ser medida pela contagem do numero de vórtices. Figura 5: imagem esquemática do funcionamento do medidor linear do tipo Vortex. O método de detecção dos vórtices possui duas maiores questões referente ao desenvolvimento pratico de um medidor de vazão são: A criação de um obstáculo gerador de vórtices (Vortex Shedder) que possa gerar vórtices regulares e de parâmetros totalmente estabilizados. Isto determinara a precisão do medidor. O projeto de um sensor e respectivo sistema eletrônico para detectar e medir a frequência dos vórtices. Isto determinara os limites para as condições de operação do medidor. Vortex Shedder – numerosos tipos de Shedder, com diferentes formas, foram sistematicamente testados e comparados em diversos fabricantes e 7 centros de pesquisa. Um Shedder com formato trapezoidal foi o que obteve um desempenho considerado ótimo. O corte trapezoidal proporciona excelente linearidade na frequência de geração dos vórtices, além de extrema estabilidade dos parâmetros envolvidos. Sistema sensor- vário tipo de sensores tem sido proposto, porem nenhum se mostrava totalmente adequado para resistir às severas condições de trabalho, as quais o medidor seria submetido no processo. A tabela 1 apresenta a variedade de sensores que estiveram, ou ainda estão disponíveis no mercado. Figura 6: foto de um medidor Vortex. Grandeza detectada Mudanças na velocidade do fluxo Sistema de detecção Troca térmica Variações de frequência ultrassónica Detecção de pressão diferencial Mudança de pressão Equilíbrio de momento Tipo de sensor Termitor Feixe de ultrassom Diafragma + elementos piezoeléctricos Diafragma Capacitivo Diafragma Indutivo Strain-gauge Esfera + Indutância Deformações sobre o Vortex Shedder Strain-gauge Tensão (stress) sobre o Vortex Shedder Elementos piezoeléctricos Tabela 2: Tipos de sensores Vortex que possui no mercado. 8 Vantagens Desvantagens Repetibilidade Disponibilidade MTFF Reduzir custo de manutenção Medir e controlar vazão volumétrica e BTU Medir vazão de processe que não pode parar Medir vazão que esta variando constantemente Aumentar período de calibração Medir com alta precisão Possui fator K Periodicamente calibrado Requer padrão de vazão Mede somente fluido com Re acima de 20000 (entre 10000 e 20000 a medição é não linear) Provoca perda de carga que pode causar cavitação e flashing não aprovado para transferência de custodia em alguns países ±0,5% a ±1% V.M ±0,2% em 24 horas 100 anos Tabela 3: especificações do medidor tipo Vortex. 3.3 CORIOLIS Tem grande aplicabilidade desde indústrias alimentícia, farmacêutica, química, petróleo, etc. Sua medição independe das variáveis de processo – densidade, viscosidade, condutibilidade, pressão, temperatura, perfil do fluido. Figura 7: imagem esquemática de um medidor Coriolis. 9 Um medidor Coriolis possui dois componentes: Tubos de sensores de medição e Transmissor. Os tubos de medição são submetidos a uma oscilação; quando um fluido qualquer é introduzido no tubo em vibração, o efeito 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. As forças geradas pelos tubos criam certa oposição à passagem do fluido na sua região de entrada, e em oposição auxiliam o fluido na região de saída dos tubos. O atraso entre os dois lados é diretamente proporcional à vazão mássica. UM RTD é montado no tubo, monitorando a temperatura deste, a fim de compensar as vibrações das deformações elásticas sofridas com a oscilação da temperatura. O transmissor é composto de um circuito eletrônico que gera um sinal para os tubos de vazão, alimenta e recebe o sinal de medida, propiciando saídas analógicas 4 a 20 MA, de frequência (0a 10 mil Hz) e ate digital RS 232 e/ou RS 485. Estas saídas são enviadas para instrumentos receptores que controlam bateladas, indicam vazão instantânea e totalizada, ou para PLCs, SDCDs, etx. Podemos encontrar também o modelo com tubo reto, neste modelo, um tubo de medição oscila sobre o eixo neutro A-B, sendo percorrido por um fluido com certa velocidade. Entre os pontos A-C as partículas do fluido são aceleradas de uma baixa para alta velocidade rotacional. A massa destas partículas aceleradas geram as forças de Coriolis oposta à direção de rotação. Entre os pontos B-C as partículas do fluido são desaceleradas, o que leva a força de Coriolis no mesmo sentido da rotação. A força de Coriolis, a qual atua sobre as duas metades do tubo com direções opostas, é diretamente a vazão mássica. O método de detecção é o mesmo do sistema anterior. 10 Figura 8: gráfico do movimento Coriolis do modelo com tubo reto. Figura 9: foto de um medidor Coriolis. 11 Vantagens Desvantagens Precisão Rangeabilidade Pressão Temperatura do fluido Temperatura ambiente Vazões Bom desempenho: precisão, rangeabilidade e estabilidade. Pode medir densidade e viscosidade Grande perda de carga Requer medição da temperatura ±0,1 a ±0,5% do V.M. Típica de 25:1 10 Mpa a 130 Mpa -55 a 125 C (normal) ou -240 a 300 C (especial) -40 a 85 C 10 g/min ate 20 000 kg/min Tabela 4: especificações do medidor tipo Coriolis. 3.4 MEDIDOR ULTRASSÔNICO Os medidores de usam a velocidade do som como meio auxiliar de medição. Podem ser divididos em dois tubos: Medidores a efeito Doppler e Medidores de tempo de transito. Medidores de efeito Doppler: é a variação de frequência produzida pelo movimento relativo de um emissor e de um receptor de frequência. No caso, esta variação de frequência ocorre quando as onde são refletidas pelas partículas moveis do fluido. Nos medidores baseados neste principio, os transdutores-emissores projetam um feixe continuo de ultrassom na faixa das centenas de kHz. O ultrassom refletido por partículas veiculadas pelo fluido tem sua frequência alterada proporcionalmente ao componente da velocidade das partículas na direção do feixe. Estes instrumentos são consequentemente adequados para medir vazão de fluidos que contem partículas capazes de refletir ondas acústicas. Figura 10: imagem esquemática do medidor de efeito Doppler. 12 Medidores de tempo de transito: não são adequados para medir vazão que contem partículas. Para que a medição seja possível, estes instrumentos devem medir vazão de fluidos relativamente limpos. Nestes medidores, um transdutoremissor-receptor de ultrassons é fixado à parede externa do tubo, ao longo de duas geratrizes diametralmente opostas. O eixo que reúne os emissoresreceptores forma com o eixo da tubulação, um angula α. Os transdutores transmitem e recebem alternadamente um trem de ondas ultrassónicas de duração pequena. O tempo de transmissão é levemente inferior (t1) orientada para a jusante, e levemente superior (t2) quando orientada para a montante. Sendo L a distancia entre os sensores, V1 a velocidade media do fluido e V2 a velocidade do som no liquido considerado, temos: 1/t1= (Vs-V1*cosα)/L 1/t2= (Vs+v1*cosα)/L A diferença dos tempos de transito t1 e t2 serve como base de medição da velocidade V1. Os dois tipos de medidores são complementares, já que o primeiro opera com líquidos que contem partículas solidas ou gasosas e o segundo requer fluidos 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, influencia 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 transito, 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 numero de Reynolds do escoamento. 13 Os circuitos eletrônicos dos instrumentos são previstos para eliminar os efeitos das turbulências, efetuando continuamente a media 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. Figura 11: imagem esquemática do medidor ultrassônico. Figura 12: foto de um medidor ultrassônico. 14 Vantagens Desvantagens Não intrusivo Pode ser portátil Externo ao tubo Reconhecido para transferência de custodia Desempenho limitado Não mede todos os fluidos Tabela 5: especificações do medidor tipo ultrassónico. 3.5 MEDIDOR MAGNÉTICO O medidor magnético de vazão é seguramente um dos medidores mais flexíveis e universais dentro os métodos de medição de vazão. Sua perda de carga é equivalente a de um trecho reto de tubulação, já que não possui qualquer obstrução. É virtualmente insensível a densidade e a viscosidade do fluido de medição. Medidores magnéticos são, portanto ideias para medição de produtos químicos altamente corrosivos, fluidos com sólidos em suspensão, lama, agua, polpa de papel. Sua aplicação estende-se desde saneamento ate industriais químicas, papel e celulose, mineração e industriais alimentícias. A única restrição, em principio é que o fluido tem que ser eletricamente condutivo. Tem ainda como limitação o fato de fluidos com propriedades magnéticas adicionarem certo erro de medição. O principio se baseia na lei de Faraday, isto é, uma corrente elétrica é induzida numa condutor se ele se move em um campo magnético ou vice-versa. Um tubo de material não magnético contem duas bobinas que geram um capo magnético B no seu interior. Dois eletrodos são colocados em lados opostos do tubo e em direção perpendicular ao campo. O fluido faz o papel do condutor e a tensão V gerada tem relação com a velocidade do fluxo e, portanto, com a sua vazão. E = B.L.v Q= Onde: E=tensão gerada (volts) 15 B=densidade de fluxo magnético (wb/m^2) L=distancia dos eletrodos (m) V=velocidade (m/s) E=tensão induzida B=densidade do fluxo magnética Figura 13: imagem esquemática da mediação de vazão tubo eletrônica. Figura 14: foto de um medidor eletrônico. 16 Vantagem Alta precisão Vazões medidas Pressão máxima Temperatura Mede vazão volumétrica 0,5 a 1% do V.M. 0,038 a 378 500 L/min 350 bar 180 C Tabela 6: especificações do medidor tipo eletrônico. 3.6 TURBINA O medidor tipo turbina é constituído basicamente por um rotor montado axialmente na tubulação. O rotor é provido de aletas que o fazem girar quando passa um fluido na tubulação do processo. Uma bobina captadora com um imã permanente é montada externamente fora da trajetória do fluido. Quando este se movimenta através do tubo, o rotor gira a uma velocidade determinada pela velocidade do fluido e pelo ângulo das laminas do rotor. À medida que cada lamina passa diante da bobina e do imã, ocorre uma variação da relutância do circuito magnético e no fluxo magnético total a que esta submetida à bonina. Verifica-se então a indução de um ciclo de tenso alternada. A frequência dos pulsos gerados desta maneira é proporcional à velocidade do fluido e a vazão pode ser determinada pela medição/totalização de pulsos. Figura 15: imagem esquemática do medidor tipo turbina. 17 Como visto acima, a frequência de saída do sensor é proporcional à vazão, de forma que é possível, para cada turbina, fazer o levantamento do coeficiente de vazão K, que é o parâmetro de calibração da turbina, expresso em ciclos (pulsos) por unidade de volume. Numa turbina ideal, este valor K seria uma constante independente da viscosidade do fluido medido. Observa-se, que à medida que a viscosidade aumente, o fator K deixa de ser uma constante e passa a ser uma função da viscosidade e da frequência de saída da turbina. Figura 16: foto de um medidor tipo turbina. 18 Vantagem Escala linear Excelente Repetibilidade Utilizado para fluidos limpos em geral Pode ser utilizado em vazão bidirecional Desvantagem Desgaste das pás Travamento do rotor Inercia para baixas vazões Diâmetro D limitado Não é utilizado para baixo numero de Reynolds Precisão 0,1 a 3% Pressão de operação máxima 200 kgf/cm^2 Range de vazão 4 L/min a 150 m^3/min Tabela 7: especificações do medidor tipo turbina. 4 CONSIDERAÇÕES FINAIS Após o termino do trabalho foi concluído que é essencial usar o medidor de vazão adequado para cada situação que seja exigido uma verificação precisa de um determinado equipamento. Hoje em dia possui vários tipos de medidores onde se pode obter resultados precisos, a metrologia auxilia em todos os ramos da engenharia encontrar melhorias nos processos que existem atualmente. Durante o execução do trabalho outro ponto importante e explorar as tecnologias de comunicação para obter mais conhecimento e compartilhar novas experiências com os colegas de turma e também em sites acadêmicos. Na atualidade o uso desses métodos de quantificar a vazão linear auxilia na execução de novos projetos e também garantir a segurança de sistemas onde necessitam de um monitoramento constante, é um ramo da metrologia que é de suma importância ser aprimorado com as novas tecnologias. 19 REFERÊNCIAS GONZALES, Carlos Roberto; VAZQUES, José Ramos Zenely. Metrologia. Mexico; McGraw, 1995. LINK, Walter, Metrologia Mecânica: expressão de incerteza de medição, Rio de Janeiro 1997.