apostila de vazão

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PROJETOS EM INSTRUMENTAÇÃO E AUTOMAÇÃO

Eng. Marcelo Saraiva Coelho

INSTRUMENTAÇÃO - VAZÃO

MEDIDORES DE VAZÃO

1. Medição por pressão diferencial (elementos primários)

Placa de OrifícioTubo Venturi

Bocal de VazãoOrifício Integral

Tubo PitotTubo Annubar

2. Medição por área variávelRotâmetro

3. Medição através de velocidadeTurbina

4. Medição por tensão induzidaMedidor Magnético

5. Medição através de vórticesMedidor Vortex

6. Medidores MássicosEfeito Coriolis

Efeito Dispersão Térmica

7. Medição por Ultra-somEfeito doppler

Por tempo de transito

8. Medição em canais abertosCalha Parschall

Vertedores

9. Medição por deslocamento positivoDisco nutante

Pistão oscilanteMedidor rotativo



INSTRUMENTAÇÃO - VAZÃOCRITÉRIOS PARA ESCOLHA DE MEDIDORES DE VAZÃO

• Vazão Operacional

• Características do Fluido

• Características de Instalação

• Características de Operação

• Exatidão

• Rangeabilidade

• Facilidades de Comunicação

• Custo

• Facilidade de Instalação e Manutenção

• Confiabilidade

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INSTRUMENTAÇÃO - VAZÃOCONCEITO DE VAZÃO

É a quantidade volumétrica ou gravimétrica de um fluido que escoa por um duto em unidade

de tempo considerada.

tMQ

tVQ M == ou

Importância da Medição –Aplicações

• No Balanço de Materiais• Transferência de Custódia

• Sistemas de Envase

Vazão Volumétrica éa quantidade de volume

de um fluido que escoa

por um duto em unidade de tempo

considerada.

Vazão Gravimétricaé a quantidade de

massa de um fluido que escoa por um

duto em unidade de tempo considerada



INSTRUMENTAÇÃO - VAZÃOConversão de Unidades de Vazão Volumétrica

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INSTRUMENTAÇÃO - VAZÃOConversão de Unidades de Vazão Mássica




MEDIÇÃO DE VAZÃO POR PRESSÃO DIFERENCIAL

MEDIÇÃO DE VAZÃO POR PRESSÃO DIFERENCIAL

A pressão diferencial é produzida por vários tipos de elementos primários colocados na tubulação de forma tal que o fluído passa através deles. A sua função é aumentar a velocidade do fluído diminuindo a área da seção em um pequeno comprimento para haver uma queda de pressão. A vazão pode então, ser medida a partir desta queda.

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É um dispositivo utilizado para medição de vazão através da velocidade detectada em um

determinado ponto de tubulação.O tubo de Pitot é um tubo com

uma abertura em sua extremidade, sendo esta,

colocada na direção da corrente fluida de um duto, mas em

sentido contrário. A diferença entre a pressão total e a

pressão estática da linha nos fornecerá a pressão dinâmica a qual é proporcional ao quadrado

da velocidade.

MEDIÇÃO DE VAZÃO POR TUBO PITOT




A barra sensora de pressão a jusante possui um orifício que está posicionado no

centro do fluxo de modo a medir a pressão do fluxo a jusante. A barra sensora de

pressão de montante possui vários orifícios, estes orifícios estão localizados

criteriosamente ao longo da barra, de tal forma que cada um detecta a pressão total de um anel. Cada um destes anéis tem área da seção transversal exatamente igual às outras áreas anulares detectadas por cada

orifício.Outra característica do elemento de fluxo tipo Annubar é que quando bem projetado tem capacidade para detectar todas as

vazões na tubulação a qual está instalado, sendo a vazão total a média das vazões

detectadas.

MEDIÇÃO DE VAZÃO POR ANNUBAR

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CARACTERÍSTICAS

•Excelente recuperação de pressão.•Resistente à abras•Custo elevado.•Manutenção e instalação incômoda.•Produz menor ∆P que a placa de orifício (considerando mesmo diâmetro, mesmo fluido e mesma vazão).

APLICAÇÕES TÍPICAS:•Controles de combustão (vazão de ar)•Tratamento de água (tubulações de grande diâmetro)•Vazão de fluidos com sólidos em suspensão.

MEDIÇÃO DE VAZÃO POR VENTURI



INSTRUMENTAÇÃO - VAZÃOMEDIÇÃO DE VAZÃO POR PRESSÃO DIFERENCIAL TIPO PLACA DE ORIFÍCIO

De todos os elementos primários inseridos em uma tubulação para gerar uma pressão

diferencial e assim efetuar medição de vazão, a placa de orifício é a mais simples, de menor

custo e portanto a mais empregada.

Consiste basicamente de uma chapa metálica, perfurada de forma precisa e calculada, a qual

é instalada perpendicularmente ao eixo da tubulação entre flanges. Sua espessura varia

em função do diâmetro da tubulação e da pressão da linha, indo desde 1/16” a 1/4”.

VANTAGENS Instalação fácil

EconômicaConstrução simples

Manutenção e troca simples

DESVANTAGEMAlta perda de carga irrecuperável

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Orifício concêntricoVazão de líquidos, gases e vapor que não contenham sólidos em suspensão

Orifíco excêntricoVazão de fluído com sólidos em suspensão

Orifício segmentalVazão de fluídos em regime laminar e com alta porcentagem de sólidos em

suspensão



Bordo Arredondado (Quadrante edge)Usado em fluídos altamente viscosos, Onde o N° de RD inferior está em torno de 250.


Bordo Quadrado (Aresta viva)Usado em tubulações normalmente maiores que 6".Não usada em fluxo com baixos N° de RD.

Bordo com entrada CônicaUsado para N° de RD inferior é 25 Em condições severas de viscosidade.

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INSTRUMENTAÇÃO - VAZÃOMEDIÇÃO DE VAZÃO POR PRESSÃO

DIFERENCIAL TIPO PLACA DE ORIFÍCIO

Tomadas de Flange

São as mais populares, os furos das tomadas já são feitos no próprio

flange.

Tomadas D e D/2 (Radius Taps)

Usada em tubulações de 2" a 30" com Reynolds entre 8000 e 400000

e para b entre 0,15 e 0,75.





Tomadas Vena Contracta

Utiliza flanges comuns, sendo o centro da tomada de alta pressão entre 1/2 e 2D (em geral 1D) e o centro da tomada de baixa

estará no ponto de pressão mínima, dependendo do b.

Tomadas em canto (Corner Taps)

São construídas no próprio flange e seu uso principal é em tubulações

menores que 2", tendo como desvantagem a grande possibilidade de

entupimento.

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Tomadas de Tubulação (Pipe Taps)

Possue o menor diferencial de pressão entre todas tomadas e perdem muita precisão devido a rugosidade do tubo.

Tomadas em canto (Corner Taps)

São construídas no próprio flange e seu uso principal é em tubulações

menores que 2", tendo como desvantagem a grande possibilidade de

entupimento.




Fluido: Líquido (ao nível da tubulação)

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Fluido: Líquido (abaixo da tubulação)




Fluido: Vapor (abaixo da tubulação)

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Fluido: Gás (acima da tubulação)




TRANSMISSORES DE PRESSÃO,

TEMPERATURA E VAZÃO a

a

T ∆P . P .K Q =

Compensação da Temperatura e Pressão Onde:Q: Vazão compensada.Pa: Pressão estática absoluta do escoamento.Ta: Temperatura absoluta do escoamento (K) .K: Características de operação do fluido, elemento primário e instalação.

MEDIÇÃO DE VAZÃO POR PRESSÃO DIFERENCIAL COM COMPENSAÇÃO

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INSTRUMENTAÇÃO - VAZÃOCompensação da Temperatura e Pressão

Exemplo:

Qmax: 30 Kg/h P(pressão à montante): 2,0 Kgf/cm2

Pressão diferencial: 200 mmH2O Temperatura de operação: 30 ºC

Primeiro método:

a) Cálculo do K: Pressão Absoluta: 2,0 Kgf/cm2 + 1,033 Kgf/cm2 = 3,033 Kgf/cm2

Temperatura Absoluta (K): 30 ºC + 273 = 303 K

a

a

máx

T ∆P . P

QK = 21,2027 K assim ,

303 200 . 3,033

30K ==

b) Vazão corrigida para nova condição de operação:

Nova pressão à montante: 2,8 Kgf/cm2 Nova temperatura de escoamento: 75º C

Pressão Absoluta:2,8+1,033=3,833 Kgf/cm2 Temperatura Absoluta: 75 ºC + 273 = 348 K

Kg/h 31,469 Q' então , 348

200 . 3,833 . 21,2027 Q' ==



INSTRUMENTAÇÃO - VAZÃOCompensação da Temperatura e Pressão

Exemplo:

Qmax: 30 Kg/h P(pressão à montante): 2,0 Kgf/cm2

Pressão diferencial: 200 mmH2O Temperatura de operação: 30 ºC

Segundo método:

0489,1 348 . 3,033303 . 3,333

T . PT . P

QQ

a2a1

a1a2

1

2 ===

Kg/h 31,469 1,0489 .Kg/h 30 Q2 ==

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Exercício:•Qmax: 180 GPM •P(pressão à montante): 35 PSI • Pressão diferencial: 75"H2O

•Temperatura de operação: 28 ºC

Obs.: 1 atm = 14,7 PSI

Primeiro método:

a)Cálculo do K:

Pressão Absoluta: ____________ Temperatura Absoluta (K): ___________

K=.........................

b) Vazão corrigida para nova condição de operação:

Nova pressão à montante: 28 PSI

Nova temperatura de escoamento: 60 ºC

Pressão Absoluta: __________ Temperatura Absoluta: _______

Q´=__________

Compensação da Temperatura e Pressão




Exercício:•Qmax: 180 GPM •P(pressão à montante): 35 PSI • Pressão diferencial: 75"H2O

•Temperatura de operação: 28 ºC

Obs.: 1 atm = 14,7 PSI

Segundo método:a) Vazão corrigida para nova condição de operação:

•Nova pressão

à montante: 28 PSI

•Nova temperatura

de escoamento: 60 ºC

•Pressão Absoluta: __________

•Temperatura Absoluta: _______

Compensação da Temperatura e Pressão

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Caixa de Junção

Painel Rearranjo

I/O SDCD

SDCD Três entradas

analógicas

Programação

Três pares de cabos

T P DPTRANSMISSORES

DE PRESSÃO, TEMPERATURA E

VAZÃO





Caixa de Junção

Painel de Rearranjo

I/O SDCD

Par Simples

SDCD 4-20 mA HART TriLoop

HART +4-20 mA

QM

DPPT

TRANSMISSOR DE VAZÃO

MULTIVARIÁVEL


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Método Tradicional Tecnologia Multivariável

Melhor Performance



MEDIÇÃO DE VAZÃO TIPO ROTÂMETRO

Rotâmetro são medidores de vazão por área variável nos quais um

flutuador varia sua posição dentro de um tubo cônico, proporcionalmente à

vazão do fluido.

Basicamente um rotâmetro consiste de duas partes:

1) Um tubo de vidro de formato cônico que é colocado verticalmente

na tubulação, em que passará o fluido a ser medido e cuja extremidade

maior fica voltada para cima.

2) No interior do tubo cônico, um flutuador que se moverá

verticalmente, em função da vazão medida.

INSTRUMENTAÇÃO – VAZÃO - ROTÂMETRO

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Condição de Equilíbrio:

onde:W = Peso do flutuadorFa = Força de arraste do fluidoE = Empuxo exercido pelo fluido

W = Fa + E

W = VF . γF E = VF . γf Fa = Cd . γf . AF .

Substituindo os termos na expressão inicial e isolando a velocidade, temos:

( )Ff

fFF

A. γ. Cdγγ . V. 2g v −

=



Flutuadores

Esférico

• Pouca precisão e para baixas vazões • Sofre forte influência da viscosidade do fluido

Cilïndrico com Bordo Plano

• Para vazões médias e elevadas • Sofre influência média da viscosidade do fluido

Cilïndrico com Bordo Saliente de Face Inclinada para o Fluxo

• Para vazões médias e elevadas • Sofre pouca influência da viscosidade

Cilïndrico com Bordo Saliente de Face contra o Fluxo

• Para vazões médias e elevadas • Sofre mínima influência da viscosidade


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Características Gerais

FluidosGases, Líquidos e Vapor de viscosidade

média a baixa.

Vazão• Líquidos: 0,01 cm3/min à 15 m3/min• Gases: 0,3 cm3/min à 400 m3/min

Diâmetro da Linha¼ à 6” (6 à 150 mm)

Características Gerais

PrecisãoDepende do tamanho do rotâmetro e do tipo

de flutuador.Pode variar entre ± 0,5 à 10% da escala.

CustoRelativamente baixo

Pressão Máxima de Operação· 25 Kgf/cm2 (tubo de vidro)

· 50 Kgf/cm2 (tubos metálicos)




Temperatura Máxima de Operação• 200 ºC (tubo de vidro)

• 500 ºC (tubos metálicos)

Material do FlutuadorDeve ser compatível com as

características de corrosão e abrasão do fluido, sendo o Inox 316 e o PVC os

mais utilizados.

Material do Tubo• Borosilicato Temperado

(transparentes)• Inox ou Ferro fundido (blindados)

AcessóriosContatos Magnéticos

InstalaçãoVertical, sem necessidade de

trecho reto.

ConexõesFlange e Rosca


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Influência da ViscosidadeDependerá da forma do flutuador

e da área de passagem.

Principal VantagemIndicação local, direta e linear

Principal DesvantagemÉ a pior alternativa para transmissão e

controle.

Perda de Carga no RotâmetroÉ constante ao longo de todo o curso

do flutuador e depende do peso específico do fluido e das

características do flutuador (peso, volume e área maior).

Recalibração da EscalaÉ possível, conhecendo-se o peso

específico do flutuador, peso específico do fluido e temperatura de

escoamento.




MEDIÇÃO DE VAZÃO TIPO ROTÂMETRO


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INSTRUMENTAÇÃO - VAZÃOMEDIÇÃO DE VAZÃO TIPO DISCO DE NUTAÇÃO

Este tipo de medidor é utilizado principalmente para medidores de vazão de água, sendo utilizado

principalmente em resistências. O líquido entra no medidor através da conexão de entrada, passa por um

filtro indo ao topo da carcaça principal. O fluido então se

movimenta para baixo, através da câmara de medição, indo até a base do medidor e daí a conexão da saída

do medidor

Os rotores lobulares são os mais utilizados para medições de vazões de gases. Estes dispositivos possuem dois rotores com movimentos opostos com a posição relativamente fixa

internamente, a uma estrutura cilíndrica.

A câmara de medição é formada pela parede do cilindro e a superfície da metade do rotor. Estando o rotor na posição vertical em determinado volume de gás ficará retido no compartimento de medição. Como o rotor gira devido a

pequena diferença de pressão entre a entrada e saída, o volume medido do gás é descarregado na base do medidor.

Esta ação sucede-se 4 vezes em uma movimentação completa com os rotores em deslocamentos opostos e a uma

velocidade proporcional ao volume do gás deslocado.

MEDIÇÃO DE VAZÃO TIPO LÓBULOS




MEDIÇÃO DE VAZÃO POR TURBINA

A passagem do fluido moverá as aletasdo rotor girando-o. A medida que cada lâmina passa diante da bobina e do imã,

ocorre uma variação da relutância do circuito magnético e no fluxo magnético

total a que está submetida a bobina.Verifica-se então a indução de um ciclo de tensão alternada. A frequência dos

pulsos gerados desta maneira éproporcional á velocidade do fluido.

A vazão pode ser determinada então pela totalização dos pulsos gerados.

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INSTRUMENTAÇÃO – VAZÃO - TURBINA

MEDIÇÃO DE VAZÃO POR TURBINA

Fator “K”É o coeficiente de vazão de cada Turbina e relaciona o número de pulsos gerados por unidade de volume.

=

tempovolume Vazão

segpulso frequencia

volumepulso K

BobinaSensora

Corpo do medidor

Rotor



INSTRUMENTAÇÃO - VAZÃOMEDIÇÃO DE VAZÃO TIPO TURBINA

CARACTERÍSTICAS:

•Utilizado para fluidos limpos em geral

•Precisão de 0,1 à 3%

•Escala linear

•Excelente repetibilidade

•Pressão de operação máxima: 200 kgf/cm2

•Faixa de temperatura: - 200 à 250 ºC

•Range de vazão: 4 l/min à 150 m3/min

•Diâmetros de Tubulação: ¼” à 30” (760 mm)

•Trecho reto necessário: 10D (à montante) e 5D (àjusante)

•Acessório: Necessita de medidor (transmissor)

•Custo médio (considerando o conjunto e o diâmetro da linha)

•Pode ser utilizado em vazão bidirecional (altera “k”)

DESVANTAGENS:

•Desgaste das pás

•Travamento do rotor

•Inércia para baixas vazões

•Diâmetro “D” limitado

•Não é utilizado para baixo nº de Reynolds

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INSTRUMENTAÇÃO - VAZÃOMEDIÇÃO DE VAZÃO TIPO TURBINA

Influência da Viscosidade

Numa turbina ideal o valor de “K” seria uma constante

independente da viscosidade do fluido medido, porém, àmedida que a viscosidade

aumenta , o fator K passa a ser uma função da

viscosidade.



INSTRUMENTAÇÃO - VAZÃOMEDIÇÃO DE VAZÃO TIPO ELETROMAGNÉTICO.

d

v

Constante

B

E

E = dvB (1)

Q = πd2v/4 (2)

(1) em (2)

Q = πdE/4B

E = Q. 4B/ πd

E = Q . K

Principio de funcionamento

Princípio: Lei de Faraday

“Quando um condutor se move com velocidade perpendicular a um campo magnético é induzida uma

diferença de potencial”

E = B . L . v

onde: e = tensão gerada (volts)B = densidade de fluxo

magnético (wb/m2)L = distância dos eletrodos (m)v = velocidade (m/s)

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INSTRUMENTAÇÃO - VAZÃOMEDIÇÃO DE VAZÃO TIPO ELETROMAGNÉTICO.



INSTRUMENTAÇÃO - VAZÃOMEDIÇÃO DE VAZÃO TIPO

ELETROMAGNÉTICO.

O medidor de vazão eletromagnético utiliza um campo magnético com forma de onda quadrada em baixa freqüência,

e lê o sinal de vazão quando o fluxo magnético está completamente

saturado fazendo com que não ocorra influência no sinal devido a flutuações

de corrente.

Todos os detectores são ajustados de maneira que a relação da tensão

induzida (E) pela densidade de fluxo magnético (B) seja mantida em um

valor proporcional, somente àvelocidade média do fluxo,

independente do diâmetro, alimentação e freqüência.

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INSTRUMENTAÇÃO - VAZÃOMEDIÇÃO DE VAZÃO TIPO ELETROMAGNÉTICO

Características:•Tipo de Fluido: Líquidos com condutividade acima de 1mS/cm (água limpa, ácidos, polpa, lamas)

·Precisão: 0,5 à 1% ·D: 3 a 1200 mm

·Vazão Bidirecional (sempre com a linha cheia) ·Custo: Economicamente viável

·Manutenção: Limpeza e inspeção dos eletrodos ·Pressão Máxima: 350 bar

·Temperatura Máxima: 150 ºC (isolação das bobinas e revestimento)

·Acessórios/Material: Revestimento e Eletrodo (de acordo com o fluido)

·Instalação: - Trecho Reto: 5 à 10D à montante e 5D à jusante, - Aterramento do fluido em tubulações não metálicas

·Vantagens: - Não oferece perda de carga.

- Não sofre influencia da densidade e viscosidade.

- É a melhor opção para os fluidos citados.

·Desvantagens: - Não mede vazão de gases

- Não mede vazão de fluidos isolantes, lubrificantes e hidrocarbonetos,



Tubo Flangeado(conversor integral))


.

Observações:

1 - É de suma importância que a parede interna da tubulação não conduza eletricidade e que a parte do tubo ocupada pelo volume

definido pelas bobinas não provoque distorções no campo magnético.

2 - As medições por meio de instrumentos magnéticos são independentes de propriedades do fluido, tais como a densidade, a viscosidade, a pressão, a temperatura ou mesmo o teor de sólidos.

3 - Que o fluxo a ser medido seja condutor de eletricidade.

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ATERRAMENTO



INSTRUMENTAÇÃO - VAZÃOMEDIÇÃO DE VAZÃO TIPO VORTEX

O efeito vortex pode ser observado no vibrar de fios ou cordas ao vento, ou

ainda em uma bandeira que tremula. Osvortex gerados repetem-se num tempo

inversamente proporcional à vazão.

Nas aplicações industriais pode-se medir a vazão de gases, líquidos incorporando

ao obstáculo reto sensores que percebam as ondas dos vortex e gerem um sinal em freqüência proporcional à

vazão.

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INSTRUMENTAÇÃO - VAZÃOMEDIÇÃO DE VAZÃO TIPO VORTEX Método de detecção dos vórtices

As duas maiores questões referentes ao desenvolvimento prático de um medidor de vórtices

são:

a) Criação de um obstáculo gerador de vórtices (vortex shedder) que possa gerar vórtices regulares e de parâmetros totalmente estabilizados determinando a precisão do medidor.

b) Projeto de um sensor e respectivo sistema eletrônico para detectar e medir a freqüência dos vórtices determinando os limites para as condições de operação do medidor.

Um shedder com formato trapezoidal foi o que obteve um desempenho considerado ótimo. O corte trapezoidal proporciona excelente linearidade na freqüência de geração dos vórtices, além de extrema estabilidade dos parâmetros envolvidos.

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MEDIÇÃO DE VAZÃO TIPO VORTEXCaracterísticas:

•Tipo de Fluido: Líquidos e gases não incrustantes e não erosivos, vapor limpo.

•Precisão: 1%

•D: 12 a 300 mm

•Vazão Unidirecional (*)

•Custo: Equivalente ao conjunto Placa de Orificio e transmissor

•Perda de Carga: Inferior à Placa de Orifício (mesma vazão)

•Limites de Rd: 10.000 à 7.000.000

•Instalação:

- De tal forma que evite bolhas.

- O fluido deve preencher totalmente a linha.

-Trecho reto curto (4D e 2D) para tubos polidos.

•Vantagens:- Baixa perda de carga.

- Configuração manutenção simples

-Não sofre influencia da densidade e viscosidade em larga faixa

•Desvantagens:- Sofre influência de vórtices provocados

por vibração da linha.

- Sofre influência de vórtices provocados por imperfeições da linha.




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INSTRUMENTAÇÃO - VAZÃOMEDIÇÃO DE VAZÃO POR EFEITO CORIOLIS.

Este medidor de vazão utiliza um fenômeno físico que envolve a inércia e a aceleração centrípeta.

A vazão de uma tubulação é dividida em duas por dois tubos paralelos que possuem forma de “U” , e ao fim destes tubos a vazão volta a ser conduzida por um

único tubo.

Próximo da parte inferior de cada “U“ existemeletroimãs que fazem os dois tubos oscilarem em suas

frequências naturais de vibração e cuja a amplitude não ultrapassa alguns milímetros. Com o passar de fluido pelos tubos, em função desta oscilação, surge uma torção nos

tubos cuja defasagem permite a medição da vazão mássica. Esta defasagem é medida por sensores

magnéticos instalados nas partes retas dos tubos em “U”.




Efeito Corilolis (Gaspard Coriolis)

Uma massa deslocando-se a uma velocidade em relação a um sistema rotacional ésubmetida a uma força conhecida como força de Corilolis.

Fc = 2M . [w x v ]

Onde:

Fc = Força de Coriolis

M = Massa

w = Velocidade angular (rotação)

v = Velocidade

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MEDIÇÃO POR CORIOLIS COM VAZÃO NO TUBO

MEDIÇÃO POR CORIOLIS SEM VAZÃO NO TUBO

MEDIÇÃO DE VAZÃO POR EFEITO CORIOLIS.




MEDIÇÃO POR CORIOLISSINAL GERADO PELOS SENSORES SEM FLUXO

NOS TUBOS

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MEDIÇÃO POR CORIOLISSINAL GERADO PELOS SENSORES

SEM FLUXO NOS TUBOS




MEDIÇÃO POR CORIOLISSINAL GERADO PELOS SENSORES COM FLUXO NO TUBO

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INSTRUMENTAÇÃO - VAZÃOMEDIÇÃO DE VAZÃO POR ULTRASSOM

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apostila de vazão

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