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Medição de VazãoCARLOS FREDERICO MESCHINI ALMEIDA

IntroduçãoNa maioria das operações realizadas nos processosindustriais é muito importante efetuar a medição e ocontrole da quantidade de fluxo de líquidos, gases e atésólidos granulados, não só para fins contábeis, comotambém para a verificação do rendimento do processo

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DefiniçõesVazão é a quantidade volumétrica ou gravimétrica de determinadofluido que passa por uma determinada seção de um conduto que podeser livre ou forçado por uma unidade de tempo

Ou seja, vazão é a rapidez com a qual um fluido escoa

Vazão Volumétrica é aquantidade de volume de umfluido que escoa por um dutoem unidade de tempo

=

Vazão Gravimétrica é aquantidade de massa de umfluido que escoa por um dutoem unidade de tempo

=

Conversão

Unidades mais comunso GPM: galão por minutoo CFM : pé cubico por minuto

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AplicaçãoMedição de vazão é utilizadaoPara garantir que determinados ingredientes são

fornecidos a uma taxa adequada durante o processo demisturaoPara evitar que a elevação de vazão, podendo causar: Aumento da pressão a níveis perigosos Temperatura excessiva Vazamentos de fluidos

Critérios para Escolha de Medidores

Vazão OperacionalCaracterísticas do FluidoCaracterísticas de InstalaçãoCaracterísticas de OperaçãoExatidãoRangeabilidadeFacilidades de ComunicaçãoCustoFacilidade de Instalação e ManutençãoConfiabilidade

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Conceitos Gerais

2ª Lei de Newton= · = · ·

= · · → = · ·

Conceitos Gerais+ · · +

12

· ·

= + · · +12

· · +

f representa a perda por fricção total, que é geralmente, desprezível

é responsável por todas as imperfeições, como perdas por atrito, e depende do tipo de medidor, da relação entre as áreas das secções transversais e do número de Reynolds

é fator de compressibilidade, responsável pela expansão dos gases compressíveis, que é 1 para fluidos incompressíveis

Estes dois fatores podem ser estimados a partir de correlações (ASME, 1959; Janna, 1993) ou pode ser determinada por meio de calibragem

= · = · · ·2 · −

· 1 −

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Tipos de Medidores de VazãoSISTEMA MEDIDOR

Medidores de Vazão Volumétrica

Pressão diferencial (deprimogênio)- medidores conectados a tubo em U ou elementos de redução ou diafragma

Placa de orifício

Tubo de Venturi

Tubo de Pitot

Tubo Annubar

Rotâmetros

Área variável Turbina

Velocidade Ultrassônico

Tensão induzida Magnético

Deslocamento positivo Roda oval, helicoidal

Vortex Medidor de frequência

Força Placas de impacto

Medidores de Vazão Mássica

Térmico Diferença de temperatura em sondas de resistência

Coriolis Tubo em vibração

Medição por Pressão Diferencial (Deprimogênios)

Elemento primário cuja instalação produzdiferença de pressões (perda de carga), que podeser vinculada com a vazão circulante em umarelação determinável

Os elementos deprimogênios mais usados sãooPlaca de OrifíciooTubo VenturioTubo Pitot / Annubar

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Medição por Pressão Diferencial (Deprimogênios)

A variação de velocidade a ambos lados do estreitamento provoca uma diferença de pressão

= · = · → = ·

+12

· · = +12

· · →

→−2

=−

→

→−2

=· · ℎ − ℎ

→

→− ·

2 ·= ∆ℎ →

→ =2 · · ∆ℎ

1 −

Medição por Pressão Diferencial - Placas de Orifício

Dos muitos dispositivos inseridos em uma tubulaçãopara se criar uma pressão diferencial, o mais simplese mais comum empregado é o da placa de orifício

Consiste em uma placa precisamente perfurada, aqual é instalada perpendicularmente ao eixo datubulação

É essencial que as bordas do orifício estejam sempreperfeitaso Se ficarem imprecisas ou forem corroídas pelo fluído, a

precisão da medição será comprometida

Comumente, são fabricadas com aço inox, monel,latão, etc. (dependendo do fluido)

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Medição por Pressão Diferencial - Placas de Orifício

oTipos de orifícioa) Orifício concêntrico

• Utilizado para líquidos, gases e vapor que não contenham sólidos em suspensão

b) Orifício excêntrico• Utilizado quando o fluído contiver sólidos 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• Possui uma abertura para passagem de fluido, disposta em forma de segmento de círculo• É destinada para uso em fluídos laminados e com alta porcentagem de sólidos em suspensão

Medição por Pressão Diferencial - Placas de Orifício

VANTAGENS DESVANTAGENS

Instalação fácil Alta perda de carga

Econômica Baixa Rangeabilidade

Construção simples

Manutenção e troca simples

Simbologia

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Medição por Pressão Diferencial - Placas de Orifício

Medição por Pressão Diferencial – Tubo de Venturi

Utilizado quando é importante limitar a queda depressãoConsiste em um estrangulamento gradual cônico euma descarga com saída também suaveUtilizado para fluidos sujos e ligeiramentecontaminadosUtilizado para altas taxas de turn down (relação entreo máximo e o mínimo vazão, ex. 4:1 ), como a daslinhas de vaporO alto custo restringe sua utilização

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Medição por Pressão Diferencial – Tubo de Venturi

Combina dentro de uma unidade simples, umacurta garganta estreitada entre duas seçõescônicasUsualmente é instalado entre duas flanges, numatubulaçãoSeu propósito é acelerar o fluído etemporariamente baixar sua pressão estáticaA recuperação de pressão em um tubo de Venturié bastante eficienteUso recomendado quando se deseja um maiorrestabelecimento de pressão e quando o fluidomedido carrega sólidos em suspensãoO Venturi produz um diferencial menor que umaplaca de orifício para uma mesma vazão ediâmetro igual à sua garganta

Medição por Pressão Diferencial – Tubo de Venturi

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Medição por Pressão Diferencial – Tubo de Venturi

Medição por Pressão Diferencial – Tubo de Venturi

VANTAGENS DESVANTAGENS

Queda de pressão mínima Alta perda de carga

Minimiza o desgaste e entupimento,permitindo que o fluxo limpe sólidossuspenso através dele sem obstrução

Para maior precisão, cada tubo de Venturi temde ser calibrado, passando fluxos conhecidosatravés do Venturi e gravando as pressõesdiferenciais resultantes

A pressão diferencial gerado por um tubo deVenturi é inferior que da placa de orifício e,portanto, um transmissor de fluxo de altasensibilidade é necessário

É mais volumoso e mais caro

Simbologia

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Medição por Pressão Diferencial – Tubo de Venturi

Utilizar a equação de Bernoulli, para calcular a pressão na gargantadeste tubo de Venturi, assumindo que a água flui a uma velocidade de7,5ft3/s, com uma densidade de 62,4 lb/ft3

+ · · +·2

= + · · +·2

= 32,2 P2 = 60,13 PSI

Medição por Pressão Diferencial – Bocal

O perfil dos bocais de vazão permite sua aplicação em serviços onde ofluído é abrasivo e corrosivoO perfil de entrada é projetado de forma à guiar a veia fluída até atingira seção mais estrangulada do elemento de medição, seguindo uma curvaelíptica (projeto ASME) ou pseudoelíptica (projeto ISA)Seu principal uso é em medição de vapor com alta velocidade,recomendado p/ tubulações > 50mm

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Medição por Pressão Diferencial – Tubo de Pitot

Mede a velocidade em um pontoConsiste em um tubo de pequeno diâmetrocom uma abertura em sua extremidade,sendo esta colocada na direção da correntefluída de um dutoCaso seja medida a pressão estática comoutro tubo, pode-se calcular a velocidadecomo função da diferença de pressõesA diferença da pressão total e a pressãoestática da linha fornece a pressãodinâmica, a qual é proporcional aoquadrado da velocidade

Medição por Pressão Diferencial – Tubo de Pitot

Possibilita o funcionamento de um dos mais importantesinstrumentos de uma aeronave, o velocímetroOs tubos de Pitot são componentes muito simples, sempeças móveis, mas mesmo assim podem sofrer problemas,quase todos relacionados com a sua obstruçãoPrecisa instalação de drenos adequados, pelo gelo, quepode se formar rapidamente, especialmente em formaçõesde nuvens cumuliformes

A equação abaixo explica matematicamente o funcionamento do tubo de Pitot

o : pressão total ou de estagnaçãoo : pressão estáticao : velocidade aerodinâmicao : densidade do ar

− =·2

∴ =2 · −

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Medição por Pressão Diferencial – Tubo de Pitot

Simbologia

Medição por Pressão Diferencial – Tipo Annubar

O Annubar é um dispositivo deprodução de pressão diferencial queocupa todo o diâmetro do tuboO Annubar é projetado para medir avazão total, de forma diferente dosdispositivos tradicionais de pressãodiferencialIdeal para a medição de gases ou vapor

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Medição por Pressão Diferencial – Tipo Annubar

RotâmetrosRotâmetros são medidores de vazão por área variável, nosquais um flutuador varia sua posição dentro de um tubocônico, proporcionalmente à vazão do fluido

Simbologia

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RotâmetrosFornecem uma relação linear com a vazãoÉ um dos poucos medidores que não exige trecho retoSão muito aplicados para indicação local na área industrial e emlaboratóriosGeralmente, a instalação é vertical, mas existem modelos própriospara instalação na horizontalBasicamente, um rotâmetro consiste de duas parteso Um tubo de vidro de formato cônico, o qual é colocado verticalmente na tubulação em

que passará o fluido que se quer medir (a extremidade maior do tubo cônico ficarávoltada para cima)

o No interior do tubo cônico teremos um flutuador que se moverá verticalmente, emfunção da vazão medida

RotâmetrosEstão disponíveis em grande variedade de materiais para que omedidor se adeque às condições do processoAlguns modelos, além de indicadores são também transmissores etotalizadores, e também podem ter incorporado chaves de fluxo

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Medidores Especiais de VazãoOs principais medidores especiais de vazão sãooMedidores com eletrodos MagnéticosoTipo TurbinaoTipo CoriolisoVortexoUltra-sônico

Medidores Especiais de Vazão (Medidor Magnético de Vazão)

O medidor magnético – aplicadosomente para líquidos – é um dosinstrumentos mais confiáveis erobustosE um dos medidores mais flexíveis euniversais dentre os métodos demedição de vazão. Medidor deexatidão notável, alta estabilidade,rangeabilidade e desempenho

Utilizam revestimento como PFA (Copolímero de tetrafluoretileno eperfluoralcóxido, derivado do Teflon®), poliuretano, borracha, cerâmica, PTFE; eos eletrodos em aço inoxidável, hastelloy, platina, tântalo, titânio, etc.

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Medidores Especiais de Vazão (Medidor Magnético de Vazão)

Sua perda de carga é equivalente a deum trecho reto de tubulação, já que nãopossui qualquer obstruçãoMedidor de passagem livre e comdiâmetros que vão de 2,5 mm até 2600mmSe baseiam na criação de potencialelétrico pelo movimento de um fluidocondutor através de um campo magnéticogerado exteriormente

Simbologia

Medidores Especiais de Vazão (Medidor Magnético de Vazão)Lei de Faraday de Indução Magnética

Uma tensão é induzida em um condutor que se move em um campo

magnéticoCom o princípio de medidaeletromagnética, o fluído se movedentro do condutorA tensão induzida é proporcional aofluxo e é medido por um par deeletrodos. Conhecendo-se a área daseção do duto, o volume do fluídopode ser

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Medidores Especiais de Vazão (Medidor Magnético de Vazão)Ideais para medição deo produtos químicos altamente corrosivoso fluidos com sólidos em suspensãoo lamao águao polpa de papel

Sua aplicação estende-se desde saneamento até indústrias químicas,papel e celulose, mineração e indústrias alimentíciasA única restrição, em princípio é que o fluído tem que sereletricamente condutivoTem ainda como limitação o fato de fluidos com propriedadesmagnéticas adicionarem um certo erro de medição

Medidores Especiais de Vazão (Tipo Turbina)

Constituído basicamente por um rotormontado axialmente na tubulaçãoO rotor é acionado pela passagem defluido sobre a palhetas em ânguloA velocidade angular do rotor éproporcional a velocidade do fluido que,por sua vez é proporcional a vazãovolumétrica

Uma bobina sensora na parte externa do corpo do medidor detecta omovimento do rotorA frequência dos pulsos gerados desta maneira é proporcional à velocidadedo fluido e a vazão pode ser determinada pela totalização de pulsos

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Medidores Especiais de Vazão (Tipo Turbina)

São os mais precisos (Precisão de0,15 a 1%)Rangeabilidade maior que todos osinstrumentos de vazãoSão aplicáveis a gases e líquidoslimpos, não corrosivos nemabrasivos, de baixa viscosidadeProblemasoPerda de carga e partes móbiles e custo

elevado, apesar de sua fácil instalação

Medidores Especiais de Vazão (Medidor por Efeito Coriolis)

Com este medidor é possível medir vazão mássica evolumétrica - com altas pressões e temperaturas, inclusivepara transferência de custódia e medição fiscal para líquidosSua exatidão, rangeabilidade e estabilidade o fazem umadas soluções mais confiáveis e completas do mercado,combinado também com vários materiais dos tubos demedição para suportar agressão corrosiva e abrasivaEste medidor é imune a variações da densidade,viscosidade, pressão

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Medidores Especiais de Vazão (Medidor por Efeito Coriolis)

O princípio de medida é baseado sobre a geração dasforças de CoriolisEstas forças estão sempre presentes quando movimentosde translação e rotação ocorrem simultaneamente

= 2 · ∆ · ×

Medidores Especiais de Vazão (Medidor por Efeito Coriolis)

Não necessita de trechos retos, justificando as aplicaçõesonde o medidor fica logo após curvas, válvulas, bombas,etc.Resumidamente, um medidor por efeito Coriolis possuidois componentes:o tubos de sensores de mediçãoo transmissor

Os tubos de medição são submetidos a uma oscilação eficam vibrando na sua própria frequência natural à baixaamplitude, quase imperceptível a olho nu

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Medidores Especiais de Vazão (Medidor por Efeito Coriolis)

Quando um fluido qualquer é introduzido no tubo emvibração, o efeito Coriolis se manifesta causando umadeformaçãoIsto é, uma torção, que é captada por meio de sensoresmagnéticos que geram uma tensão em formato de ondassenoidaisAs forças geradas pelos tubos criam uma certa oposição àpassagem do fluido na sua região de entrada (região dabobina), e em oposição auxiliam o fluído na região de saídados tubos

Medidores Especiais de Vazão (Medidor por Efeito Coriolis)

O atraso entre os dois lados édiretamente proporcional àvazão mássicaUm RTD é montado no tubo,monitorando a temperaturadeste, a fim de compensar asvibrações das deformaçõeselásticas sofridas com aoscilação da temperatura

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Medidores Especiais de Vazão (Medidor por Efeito Coriolis)

Vazão mássica ou volumétrica,temperatura e densidade são medidossimultaneamenteNos medidores de tubos de fluxoduplo, o fluido de processo que entrano sensor é dividido e metade do fluidopassa através de cada tuboDurante o funcionamento, umabobina impulsora é energizada, fazendocom que os tubos oscilem em oposiçãoum ao outro

Medidores Especiais de Vazão (Medidor por Efeito Coriolis)

As bobinas captoras são montadas naslaterais de um dos tubos e os ímãs sãomontados nas laterais do tubo de fluxo opostoCada bobina se move através do campomagnético uniforme do ímã adjacenteA tensão gerada por cada bobina captora criauma onda senoidalComo os ímãs são montados num tubo e asbobinas no tubo oposto, as ondas senoidaisgeradas representam o movimento de umtubo em relação ao outro

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Medidores Especiais de Vazão (Medidor por Efeito Coriolis)

Simbologia

Medidores Especiais de Vazão (Medidores Ultrassônicos)

Os medidores de vazão que usam a velocidade do som comomeio para realizar medição de vazão podem ser divididos emdois tipos principaisoMedidores a efeito DoppleroMedidores de tempo de trânsito

Existem medidores ultrassônicos nos quais os transdutores sãopresos à superfície externa da tubulação, e outros com ostransdutores em contato direto com o fluídoOs emissores de ultrassons consistem em cristaispiezoelétricos que são usados como fonte de ultrassom, paraenviar sinais acústicos que passam no fluído, antes de atingir ossensores correspondentes

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Medidores Especiais de Vazão (Medidores Ultrassônicos)

Medidores Especiais de Vazão (Medidores Ultrassônicos)

Medidores de Efeito DoppleroO efeito Doppler é a aparente variação de frequência produzida pelo

movimento relativo de um emissor e de um receptor de frequênciaoNo caso, esta variação de frequência ocorre quando as ondas são

refletidas pelas partículas móveis do fluídooOs transdutores/emissores projetam um feixe contínuo de ultrassom

(faixa das centenas de kHz)oOs ultrassons refletidos por partículas veiculadas pelo fluido têm sua

frequência alterada proporcionalmente ao componente davelocidade das partículas na direção do feixe

oEstes instrumentos são adequados para medir vazão de fluídos quecontêm partículas capazes de refletir ondas acústicas

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Medidores Especiais de Vazão (Medidores Ultrassônicos)

Medidores de Efeito Doppler

Medidores Especiais de Vazão (Medidores Ultrassônicos)

Medidores de Efeito DoppleroSensor não invasivo, localizado na parte externa da tubulação e sem contato com

o fluidooAs ondas sonoras são propagadas no interior do fluido através das paredes da

tubulaçãooQuando as ondas sonoras são refletidas por partículas em movimento, a

frequência é deslocada, provocando o efeito Doppler

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Medidores Especiais de Vazão (Medidores Ultrassônicos)

Medidores de Efeito DopplerAs ondas sonoras são originadas por um oscilador, dispositivo que envia pulsos de

corrente através do cristal piezoelétricoOs pulsos fazem com que o cristal vibre gerando ondas sonoras que passam através do

fluidoAs ondas têm uma frequência superior do que aquela que pode ser ouvida por

humanos (ultrassom) os pulsos são transmitidos para o líquido seguinte

Medidores Especiais de Vazão (Medidores Ultrassônicos)

A frequência aparente medida pelo observador

=+ · cos

O comprimento de onda aparente visto pelo receptor

=− · cos

→ =− · cos

A diferencial de frequência

∆ = − =2 ·

· cos · → =∆ ·

2 · · cos

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Medidores Especiais de Vazão (Medidores Ultrassônicos)

Medidores de Efeito DoppleroAplicações: Líquido corrosivoMedição do fluxo de sangue Sistemas de tratamentos de águas residuaisNo controle da alimentação de digestores

Medidores Especiais de Vazão (Medidores Ultrassônicos)

Medidores de Tempo de TrânsitooNão são adequados para medir vazão de fluídos que contêm

partículasoPara que a medição seja possível, os fluídos devem estar

relativamente limpos

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Medidores Especiais de Vazão (Medidores Ultrassônicos)

Medidores de Tempo de Trânsitoo O princípio de funcionamento é baseado no tempo de trânsito de sinais no meioo Um sinal acústico (ultrassom) é transmitido de um sensor a outroo Pode ser tanto na direção do fluxo, quanto contrário ao fluxoo O tempo de trânsito do sinal é medidoo O sinal enviado na direção do fluxo requer menos tempo de trânsito que o sinal

enviado contra o fluxoo A diferença entre os tempos de trânsito é proporcional à velocidade do fluído

= ·

· cos =2 ·

1∆ + 2 ·

1∆

2→

→ =4 · cos

·∆ · ∆

∆ + ∆

Medidores Especiais de Vazão (Medidores Ultrassônicos)

Medidores de Tempo de TrânsitooAplicação Fluidos limpos e gases Óleos brutos médios na indústria de refino de petróleo. Fluidos puros e semicondutores ultrapuros nas indústrias farmacêuticas e de alimentos e

bebidas

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Medidores Especiais de Vazão (Medidor de Vazão por Dispersão Térmica)

Sensor de temperatura (pt1000) mais elemento aquecedor para ativar ou sensor aquecedor

Sensor de temperatura (Pt1000) como sensor de referência ou sensor sem aquecimento

Faz uso de dois RTDs de alta precisãoUm RTD de referência mede a temperatura do processo e um RTD ativo éaquecido até um valor conhecido (acima da temperatura odo fluido) para criar umdiferencial de temperatura entre os dois sensoresPrincípio de funcionamento

o Quando não há fluxo, o diferencial terá o seu maior valoro Quando há fluxo, o RTD ativo começa a arrefecer e diminui o diferencial entre os dois sensores

Medidores Especiais de Vazão (Medidor de Vazão por Dispersão Térmica)

Tecnologia térmica é vantajosa porque tem também em conta a densidade,viscosidade absoluta , a condutividade térmica e calor específico do gás a sermedidoO resultado final é uma leitura de fluxo de massa muito preciso, que nãorequer instrumentação ou cálculos adicionaisRecomendado para gases, líquidos limpos/sujos/viscosos e algumas pastasRangeabilidade: 10 to 1Queda pressão: baixaExatidão: 1%Custo relativo: AltoTamanho : 2” to 24”Conexão: Roscada, FlangeadaTipo de saída: Exponencial

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Medidores Especiais de Vazão (Medidor de Vazão por Dispersão Térmica)

Medidores Especiais de Vazão (Medidor de Vazão Tipo Vortex)

O princípio de funcionamento ébaseado no vórtice de KarmanQuando fluídos fluem através de umarestrição introduzida no duto, vórticessão formados pelos ladosA frequência do vórtice proporcionalao fluxo médio e, desta forma, ao fluxovolumétrico : Frequência de vórtices

: Diâmetro do corpo blefe: Número Stouhal (relação

entre diâmetro do blefe e intervalo Vortex)

: Área do tubo

= · →

→ =·

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Medidores Especiais de Vazão (Medidor de Vazão Tipo Vortex)

Variações de pressão causadas pelovórtices são transmitidas via algunsorifícios introduzidos nas lateraisOs sensores são colocados dentro doduto e protegidos de choques,temperaturas e desgaste pelapassagem do fluídoOs sensores capacitivos detectam ospulsos de pressão e os convertem empulsos elétricos

Medidores Especiais de Vazão (Medidor de Vazão de Deslocamento

Positivo)Turbina, engrenagem, rodasDesenvolvido para atenderaplicações onde os fluidos sãoextremamente viscosos, o medidorde vazão tipo deslocamento positivoVDP é construído em diâmetros de1/8" a 2", em aço carbono, inox,PTFE, latão ou outros materiais Simbologia

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Medidores Especiais de Vazão (Medidor de Vazão de Deslocamento

Positivo)Possui sinais de saída pulso ou 4-20mA no cabeçote, o que possibilita o envio dosinal indiretamente a um sistema de supervisão, CLPs, módulos de aquisição dedadosAplicação: óleo BPF, mel, chocolate, resinas, vernizes, asfalto, óleos lubrificantes

Comparação de Medidores de Vazão

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Comentários FinaisPara determinar a aplicação correta de um medidor devazão é necessário conhecer as característica do fluído,instalação e condições de operação

Devido a uma enorme oferta de medidores de vazão comaplicações e tecnologias das mais diversificadas, a escolhado medidor apropriado é relativamente simples nasaplicações clássicas, porém, o principal fator que dificultaesse processo é a constante evolução dos medidores,influenciando diretamente no desempenho e custos doequipamento