Instrumentação E Controle De Vazão

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Medição de Vazão Na maioria das operações realizadas nos processos industriais é muito importante efetuar a medição e o controle da quantidade de fluxo de líquidos, gases e até sólidos granulados, não só para fins contábeis, como também para a verificação do rendimento do processo. Assim, estão disponíveis no mercado diversas tecnologias de medição de vazão cada uma tendo sua aplicação mais adequada conforme as condições impostas pelo processo. Vazão pode ser definida como sendo a quantidade volumétrica ou mássica de um fluido que passa através de uma seção de uma tubulação ou canal por unidade de tempo. Medição de Vazão Vazão Volumétrica É definida como sendo a quantidade em volume que escoa através de uma certa seção em um intervalo de tempo considerado. É representado pela letra Q e expressa pela seguinte equação: Q = V/t Onde: V = volume e t = tempo Unidades de Vazão Volumétricas As unidades de vazão volumétricas mais utilizadas são: m 3 /s, m 3 /h, l/h, l/min GPM, Nm 3 /h e SCFM. Na medição de vazão volumétrica é importante referenciar as condições básicas de pressão e temperatura, principalmente para gases e vapor pois o volume de uma substância depende da pressão e temperatura a que está submetido. Medição de Vazão Vazão Mássica É definida como sendo a quantidade em massa de um fluido que atravessa a seção de uma tubulação por unidade de tempo. É representada pela letra Qm e expressa pela seguinte equação: Qm = m/t Onde: m = massa t = tempo Unidades de Vazão Mássica As unidades de vazão mássica mais utilizadas são: kg/s, kg/h, T/h e Lb/h. Medição de Vazão Conceitos Básicos Viscosidade: É definida como sendo a resistência ao escoamento de um fluido em um duto qualquer. Esta resistência provocará uma perda de carga adicional que deverá ser considerada na medição de vazão. • Viscosidade absoluta ou dinâmica: Define-se como sendo o atrito interno num fluido, que se opõe ao movimento relativo de suas moléculas e ao movimento de corpos sólidos que nele estejam. É representada pela letra grega  (mi). •Viscosidade Cinética: É a relação entre a viscosidade absoluta e a massa específica de um fluido, tomados à mesma temperatura. È representada pela letra  (ni) Medição de Vazão Conceitos Básicos Tipos de escoamentos: Regime Laminar: Se caracteriza por um escoamento em camadas planas ou concêntricas, dependendo da forma do duto, sem passagens de partículas do fluido de uma camada para outra e sem variação de velocidade, para determinada vazão. Regime turbulento: Se caracteriza por uma mistura intensa do líquido e oscilações de velocidade e pressão. O movimento das partículas é desordenado e sem trajetória definida. Medição de Vazão Número de Reynolds Número adimensional utilizado para determinar se o escoamento se processa em regime laminar ou turbulento. Sua determinação é importante com parâmetro modificador dos coeficientes de descarga Observação: Na prática, se Re > 2.320, o fluxo é turbulento, caso contrário é sempre laminar. Nas medições de vazão na industria, o regime de escoamento é na maioria dos casos turbulento com Re > 5.000. Medição de Vazão Medição de Vazão Medição por elementos deprimogênios Medição de Vazão Medição de Vazão por Placa de Orifício De todos os elementos primários inseridos em uma tubulação para gerar uma pressão diferencial e assim efetuar medição de vazão, a placa de orifício é a mais simples, de menor custo e portanto a mais empregada. Consiste basicamente de uma chapa metálica, perfurada de forma precisa e calculada, a qual é instalada perpendicularmente ao eixo da tubulação entre flanges. Sua espessura varia em função do diâmetro da tubulação e da pressão da linha. Medição de Vazão por Placa de Orifício Medição de Vazão por Placa de Orifício O diâmetro do orifício é calculado de modo que seja o mais preciso possível, e suas dimensões sejam suficientes para produzir à máxima vazão uma pressão diferencial máxima adequada. As placas de orifício são costumeiramente fabricadas com aço inoxidável, monel, latão, etc. A escolha depende da natureza do fluido a medir. Vantagens da Placa: Instalação fácil, Econômica , Construção simples e de fácil manutenção. Desvantagem da Placa: Alta perda de carga Medição de Vazão por Placa de Orifício a) Orifício Concêntrico: para líquidos, gases e vapor que não contenham sólidos em suspensão b) Orifício excêntrico: Utilizada quando tivermos fluido com partículas em suspensão, os quais possam ser retidos e acumulados na base da placa, sendo o orifício posicionado na parte de baixo do tubo c) Orifício segmental: Tem abertura para passagem de fluido disposta em forma de segmento de círculo. È destinada para uso em fluidos laminados e com alta porcentagem de sólidos em suspensão. Medição de Vazão por Placa de Orifício Tipos de Contorno do Orifício: • Orifício com bordo quadrado: Sua superfície forma um ângulo de 90° com ambas as faces da placa, é empregado em tubulações maiores que 6”. Não é utilizada para medições de vazão de fluidos com N° de Reynolds baixo. • Orifício com bordo arredondado: É utilizado para fluidos altamente viscosos onde o N° de Reynolds esta em torno de 300. • Orifício com bordo quadrado e face da jusante em ângulo de 45°: É de uso geral. O chanfro na face jusante serve para diminuir a turbulência e seu ângulo por variar de 30 a 45°. Medição de Vazão por Placa de Orifício Tomadas de Impulso em placas de Orifício: Tomadas no Flange: Os flanges para placas de orifício, já são feitas com o furo das tomadas, perfurados e com rosca. Os flanges podem ser do tipo rosqueado ou soldado. Vantagens: • Orifício com bordo arredondado: É utilizado para fluidos altamente viscosos onde o N° de Reynolds esta em torno de 300. • Orifício com bordo quadrado e face da jusante em ângulo de 45°: É de uso geral. O chanfro na face jusante serve para diminuir a turbulência e seu ângulo por variar de 30 a 45°. Medição de Vazão por Placa de Orifício Medição de Vazão por Placa de Orifício Medição de Vazão por Placa de Orifício Medição de Vazão por Placa de Orifício Medição de Vazão por Placa de Orifício Medição de Vazão por Placa de Orifício Medição de Vazão por Placa de Orifício Medição de Vazão por Tubo de Venturi TUBO VENTURI O tubo Venturi, combina dentro de uma unidade simples, uma curta garganta estreitada entre duas seções cônicas e está usualmente instalado entre duas flanges, numa tubulações. Seu propósito é acelerar o fluído e temporariamente baixar sua pressão estática. Medição de Vazão por Tubo de Venturi TUBO VENTURI A recuperação de pressão em um tubo Venturi é bastante eficiente, sendo seu uso recomendado quando se deseja um maior restabelecimento de pressão e quando o fluido medido carrega sólidos em suspensão. O Venturi produz um diferencial menor que uma placa de orifício para uma mesma vazão e diâmetro igual à sua garganta. Medição de Vazão por Tubo de Venturi Medição de Vazão por Bocal (Flow Nozzle) O Bocal de vazão (Flow nozzle) é, em muitos aspectos um meio termo entre a placa de orifício e o tubo Venturi. O perfil dos bocais de vazão permite sua aplicação em serviços onde o fluído é abrasivo e corrosivo. O perfil de entrada é projetado de forma à guiar a veia fluída até atingir a seção mais estrangulada do elemento de medição, seguindo uma curva elíptica (projeto ASME) ou pseudoelíptica (projeto ISA). Seu principal uso é em medição de vapor com alta velocidade, recomendado p/ tubulações > 50mm. Medição de Vazão por Tubo Pitot É um dispositivo para medição de vazão através da velocidade detectada em um ponto da tubulação. O tubo de Pitot é um tubo com uma abertura em sua extremidade, sendo esta colocada na direção da corrente fluida de um duto. A diferença da pressão total e a pressão estática da linha nos dará a pressão dinâmica, a qual é proporcional ao quadrado da velocidade. Medição de Vazão por Tubo Pitot Vazão Tubo Pitot Medição de Vazão por Annubar O Annubar é um dispositivo de produção de pressão diferencial que ocupa todo o diâmetro do tubo . O annubar é projetado para medir a vazão total , de forma diferente dos dispositivos tradicionais de pressão diferencial . Ideal para medição de gás e vapor numa variedade de industrias, tais como: Produção de óleo e gás, refinaria, petroquímica, Energia, utilidades, papel e celulose. Medição de Vazão por Turbina Um medidor de vazão tipo turbina, conforme a figura a seguir, consiste basicamente de um rotor provido de palhetas, suspenso numa corrente de fluido com seu eixo de rotação paralelo a direção do fluxo. O rotor é acionado pela passagem de fluido sobre as palhetas em ângulo; a velocidade angular do rotor é proporcional à velocidade do fluido que, por sua vez, é proporcional à vazão do volume. Uma bobina sensora na parte externa do corpo do medidor, detecta o movimento do rotor. Medição de Vazão por Turbina Medição de Vazão por Turbina Medição de Vazão por Turbina Esta bobina é alimentada, produzindo um campo magnético. Como as palhetas do rotor são feitas de material ferroso, à medida que cada palheta passa em frente à bobina corta o campo magnético e produz um pulso. O sinal de saída é uma seqüência de pulsos de tensão, em que cada pulso representa um pequeno volume determinado de líquido. O sinal detectado é linear com a vazão. Unidades eletrônicas associadas permitem indicar a vazão unitária ou o volume totalizado, podendo efetuar a correção automática da temperatura e/ou pressão e outras funções. Medição de Vazão por Turbina Um medidor de turbina é uma unidade versátil: possui uma faixa de pressão e temperatura muito ampla., e uma vez que o mesmo é fabricado em aço inoxidável, é compatível com uma ampla faixa de fluidos. Estes, todavia, devem ser relativamente limpos, não ter alta viscosidade e a vazão deve ser em regime laminar. Linearizadores de Fluxo Medição de Vazão por Turbina Medidor de Vazão por magnetismo O princípio de medição é baseado na lei de Faraday que diz que: “Quando um condutor se move dentro de um campo magnético, é produzida uma força eletromotriz (f.e.m.) proporcional a sua velocidade.” Vamos supor que nós temos um campo magnético, com densidade de fluxo magnético igual a B (gauss), aplicado a uma seção de uma tubulação com diâmetro D (m). Se a velocidade média do fluido que passa pela tubulação é igual a V (m/s), quando colocamos um par de eletrodos em uma posição perpendicular ao fluxo magnético, teremos uma força eletromotriz E(V) induzida nestes eletrodos, e a sua amplitude dada por: E = B . D . V Medidor de Vazão por magnetismo B Densidade do fluxo magnético [ weber/m 2 ] D  Distância entre os eletrodos [m] V  Velocidade do fluxo [m/s] E  Tensão induzida [Volts] Medidor de Vazão por magnetismo Medidor de Vazão por ultra-som Vantagens: •Não produz queda de pressão •Ampla rangebilidade ( 50:1) •Fluxo bi-direcional •Sem partes móveis •Baixo custo de manutenção •Insensível à contaminação Aplicações •Medição para transferência de custódia (modelo com 3 ou 5 paths) •Controle de compressores de gás •Plantas de processamento de gás •Estações de medição e regulação •Termelétricas a gás Rotâmetros 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.Basicamente, um rotâmetro consiste de duas partes: 1) Um tubo de vidro de formato cônico, o qual é colocado verticalmente na tubulação em que passará o fluido que queremos medir. A extremidade maior do tubo cônico ficará voltada para cima. 2) No interior do tubo cônico teremos um flutuador que se moverá verticalmente, em função da vazão medida. Rotâmetros Princípio Básico O fluido passa através do tubo da base para o topo. Quando não há vazão, o flutuador permanece na base do tubo e seu diâmetro maior é usualmente selecionado de tal maneira que bloqueie a pequena extremidade do tubo, quase que completamente. Quando a vazão começa e o fluido atinge o flutuador, o empuxo torna o flutuador mais leve; porém, como o flutuador tem uma densidade maior que a do fluido, o empuxo não é suficiente para levantar o flutuador. A área de passagem oferece resistência à vazão e a queda de pressão do fluido começa a aumentar. Quando a pressão diferencial, somada ao efeito de empuxo do líquido, excede a pressão devido ao peso do flutuador, então o flutuador sobe e flutua na corrente fluida. Rotâmetros Com acoplamento magnético Conexões flangeadas, roscadas ou sanitárias Diâmetro: de DN 1/2" a 4" Pressão até 100 kgf/cm² Temperatura até 300°C Medição de líquidos e gases, inclusive líquidos não transparentes Instalações com pressões e temperaturas elevadas Líquidos corrosivos Acessórios: contato elétrico, transmissor de sinal eletrônico, transmissor de sinal pneumático, totalizador, jaqueta de aquecimento, jaqueta de resfriamento, radiador, sistema de amortecimento Rotâmetros Com cone de medição em vidro Conexões flangeadas, roscadas ou para mangueira Diâmetro das conexões: 1/4" a 4" Pressão máxima: 10 kgf/cm² (vide catálogo) Temperatura até 120°C Medição de líquidos transparentes e gases Líquidos corrosivos Cone de medição em vidro borosilicato Escala: gravada no cone de medição ou externa (montada na lateral do corpo) Acessórios: contato elétrico, protetor de acrílico e escala dupla Rotâmetros Com cone de medição em material sintético Conexões flangeadas, roscadas ou para mangueira Diâmetro das conexões: 1/4" a 1/2" Pressão máxima: 10 kgf/cm² Temperatura até 120°C Medição de líquidos transparentes e gases Líquidos corrosivos Temperatura até 100°C Cone de medição em polisulfona ou policarbonato Acessórios: contato elétrico, proteção de acrílico, escala dupla Vazão Coriolis A tecnologia Coriolis oferece muitas vantagens sobre as tecnologias tradicionais de medição volumétricas, tanto para líquidos como para gases. Medição de múltiplas variáveis: •Taxa de vazão mássica •Taxa de vazão volumétrica •Densidade •Temperatura • Alta precisão (+/-0.1%) e repetibilidade que significa melhoria na qualidade dos produtos e redução de desperdícios. Fácil instalação porque não exige montagem especial, nem condicionamento da vazão e nem trechos retos são requisitados. Baixa manutenção por não ter partes móveis Vazão Coriolis Vazão Coriolis _ Principio de operação Vibração do tubo: O fluido do processo é dividido em duas partes, cada parte passando por um dos tubos do medidor Coriolis. Durante o funcionamento, uma bobina pressa a um dos tubos recebe pulsos que fazem os tubos oscilarem para cima e para baixo, em oposição de um em relação ao outro. Vazão Coriolis _ Principio de operação Geração do Sinal: O conjunto imã-bobina, chamado de pick-offs, são montados nos tubos. As bobinas são montadas de um lado do tubo e os imãs são montados no tubo oposto. Cada bobina movimenta-se através do campo magnético uniforme do imã adjacente. A voltagem gerada em cada bobina (pickoff) produz um sinal senoidal. O sinal senoidal é produzido devido ao movimento relativo de um tubo em relação ao outro. Vazão Coriolis _ Principio de operação Sem vazão : Os tubos oscilam 180 graus de um em relação ao outro, quando um tubo move-se para baixo o outro move-se para cima e vice-versa. Ambas as bobinas Pickoffs – uma no lado de entrada e outra no lado de saida do tubo – geram uma onda senoidal de corrente continuamente quando os tubos estão vibrando. Quando não há vazão, as ondas senoidais estão em fase. Vazão Coriolis _ Principio de operação Sem vazão : Sem efeito Coriolis Sem vazão, não há o efeito Coriolis e as ondas senoidais produzidas estão em fase uma com a outra. Vazão Coriolis _ Principio de operação Com vazão : Efeito Coriolis Quando o fluido passa pelos tubos sensores, a Força de Coriolis são induzidas. Esta força faz com que os tubos se encurvem um em oposição ao outro. Quando um tubo esta se movendo para cima durante metade do ciclo de vibração, o fluido circulante no interior do tubo se opôe ao movimento pressionando o tubo para baixo. Tendo o momento ascendente do tubo passado pela curva, o fluido saindo do sensor resiste tendo este movimento vertical reduzido. Isto causa o encurvamento do tubo. Vazão Coriolis _ Principio de operação Vazão - Delta-T: Como resultado do encurvamento dos tubos, as ondas senoidais geradas pelas bobinas de pickoffs estão agora fora de fase porque o lado de entrada fica atrasado em relação ao lado de saida. A diferença de tempo entre as ondas senoidais é medida em microsegundos e é chamada de Delta-T. O Delta-T é diretamente proporcional à taxa de fluxo de massa. Um grande DeltaT significa uma grande quantidade de massa circulando. Vazão Coriolis _ Principio de operação Vazão Medidor tipo Diafragma (Residencial) Este medidor do tipo volumétrico por diafragma é apto para a medição de consumo doméstico de gás natural, GLP ou manufaturado. Suas características de fabricação asseguram alta confiabilidade operacional durante longos anos sem manutenção. Por ser de tamanho compacto, facilita seu manuseio e instalação. Características Funcionais O princípio de funcionamento consiste em um sistema de canais comunicantes entre as quatro câmaras que, enquanto se enchem, movimentam os diafragmas que coordenam a carga e descarga do sistema, acionando a válvula rotativa que movimenta o sistema de integração. Vazão Medidor tipo Diafragma (Residencial) Totalizador O totalizador é do tipo ciclométrico com 8 dígitos fabricado em termoplástico de engenharia, protegido por tampa de policarbonato de ótima transparência e alta resistência ao impacto, provido de marcação para leitura ótica. Vazão Medidor tipo Vórtex Vazão Medidor tipo Vórtex Vazão Medidor Calorimétrico Teoria de funcionamento: Usado para líquidos, este medidor de vazão é baseado no principio calorimétrico. A face inferior do sensor é aquecida a poucos graus acima da temperatura do fluido medido. Quando o fluido escoa, o aquecimento gerado no sensor é transferido para o fluido, resfriando assim o sensor. O processo de resfriamento é uma medida precisa da velocidade do fluido. O sinal do sensor é comparado com os dados memorizados no microcontrolador. Um sinal de alarme/ou sinal analógico de 4 a 20 mA que é proporcional à velocidade do fluido, estará disponível na saída do equipamento se a velocidade do fluido desviar do valor da velocidade desejada . O microcontrolador permite que o transmissor seja facilmente calibrado e feita a compensação da temperatura.