Medição de Vazão - SENAI - MG

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As forças geradas pelos tubos criam uma certa oposição à passagem do fluido na sua região de entrada (região da bobina1) , e em oposição auxiliam o fluído 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.

Medição de Vazão

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 à 20 mA, de freqüência (0 à 10 mil Hz) e até 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, etc.

Podemos encontrar o modelo com tubo reto , neste modelo , um tubo de medição oscila sobre o eixo neutro A-B sendo percorrido por um fluido com velocidade “v”. Entre os pontos A-C as partículas do fluido são aceleradas de uma baixa para uma alta velocidade rotacional . A massa destas partículas aceleradas geram as forças de Coriólis (Fc) oposta a direção de rotação .Entre os pontos C-B as partículas do fluido são desaceleradas o que leva a força de Coriólis no mesmo sentido da rotação . A força de Coriólis (Fc) , aqual atua sobre as duas metades do tubo com direções opostas , é diretamente proporcional á vazão mássica . O método de detecção é o mesmo do sistema anterior .

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2.4.4 MEDIDOR DE VAZÃO TIPO VORTEX

- Princípio de funcionamento

Quando um anteparo de geometria definida é colocado de forma a obstruir parcialmente uma tubulação em que escoa um fluido, ocorre a formação de vórtices; que se desprendem alternadamente de cada lado do anteparo, como mostrado na figura abaixo. Este é um fenômeno muito conhecido e demostrado em todos os livros de mecânica dos fluidos.

Os vórtices também podem ser observados em situações freqüentes do nosso dia a dia, como por exemplo: -O movimento oscilatório da plantas aquáticas, em razão da correnteza;

-as bandeiras flutuando ao vento;

-as oscilações das copas das árvores ou dos fios elétricos quando expostos ao vento.

- Equações de caracterização: Velocidade do fluxo e a freqüência de vórtices

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f = St . V/d(1)

Assumindo que a freqüência de geração dos vórtices provocados por um obstáculo colocado verticalmente no sentido de movimento de um fluido seja “f”, a velocidade do fluido seja “V” e a dimensão do obstáculo perpendicular ao sentido do fluxo seja “d”, a seguinte relação é obtida: St = número de Strouhal

Q = A . V(2)
A = área da seção da tubulação

Esta equação pode ser aplicada a um medidor vortex, quando medindo vazão em uma tubulação de processo. Adicionalmente, neste caso a seguinte expressão também é válida: onde, Q = vazão volumétrica

Q = k . f(3)
St = L/d(4)

Mediante uma simples substituição, e consideramos os parâmetros constantes agrupados em único fator, teremos: Número de Strouhal- É a relação entre o intervalo “L” entre cada vórtice e a dimensão “d” do anteparo perpendicular ao sentido do fluxo ou seja,

Logo, conforme pode ser verificado nas expressões acima, se o número de Strouhal for constante, a vazão volumétrica do fluido pode ser medida pela contagem do número de vórtices.

Para uma ampla faixa de número de Reynolds que define o regime de escoamento, temos que St é constante, conforme pode ser verificado no gráfico abaixo. Logo, para a imensa maioria das aplicações industriais, que estão situadas na faixa de número de Reynolds entre 2 x 104 e 7 x 106, todas as expressões anteriores são totalmente válidas.

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Adicionalmente, nesta faixa, a freqüência “f” de geração de vórtices não é afetada por variações na viscosidade, densidade, temperatura ou pressão do fluido

- Método de detecção dos vórtices

As duas maiores questões referentes ao desenvolvimento prático de um medidor de vazão, baseado nos princípios anteriormente mencionados, são: a) A criação de um obstáculo gerador de vórtices (vortex shedder) que possa gerar vórtices regulares e de parâmetros totalmente estabilizados. Isto determinará a precisão do medidor. b) O projeto de um sensor e respectivo sistema eletrônico para detectar e medir a freqüência dos vórtices. Isto determinará os limites para as condições de operação do medidor. Vortex shedder - Numerosos tipos vortex de shedder, com diferentes formas, foram sistematicamente testados e comparados em diversos fabricantes e centros de pesquisa. Um shedder com formato trapezoidal foi o que obteve um desempenho considerado ótimo.

O corte trapezoidal proporciona excelente linearidade na freqüência de geração dos vótices, além de extrema estabilidade dos parâmetros envolvidos. Sistema sensor - Vários tipos de sensores têm sido propostos, porém nenhum mostrava-se totalmente adequado para resistir às severas condições de trabalho, as

Medição de Vazão quais o medidor seria submetido no processo . A tabela abaixo apresenta a variedade de sensores que estiveram, ou ainda estão, disponíveis no mercado.

Grandeza DetectadaSistema de DetecçãoTipo de Sensor

Troca Térmica Termistor

Mudanças na velocidade do fluxo

Variações de freqüência ultrasônica Feixe de Ultra-som

Detecção de Pressão Diferencial

Diafragma + Elementos Piezoelétricos

Diafragma Capacitivo

Mudanças deDiafragma Indutivo

Pressão Equilíbrio de Strain-gauge

MovimentoEsfera + Indutância

Deformações sobre o Vortex shedder Strain gauge

Tensão ( Stress ) sobre o

Vortex shedder Elementos Piezoelétricos

2.4.5 - Medidores Ultra-sônicos

Os medidores de vazão que usam a velocidade do som como meio auxiliar de medição podem ser divididos em dois tipos principais: - Medidores a efeito doppler

- Medidores de tempo de trânsito.

Existem medidores ultra-sônicos nos quais os transdutores são presos à superfície externa da tubulação, e outros com os transdutores em contato direto com o fluído. Os transdutores-emissores de ultra-sons consistem em cristais piezoelétricos que são usados como fonte de ultra-som, para enviar sinais acústicos que passam no fluído, antes de atingir os sensores correspondentes.

2.4.5.1 - Medidores de efeito Doppler

O efeito Doppler é aparente variação de freqüência produzida pelo movimento relativo de um emissor e de um receptor de freqüência. No caso, esta variação de freqüência ocorre quando as ondas são refletidas pelas partículas móveis do fluído. Nos medidores baseados neste princípio ( ver figura abaixo ), os transdutores-emissores projetam um feixe contínuo de ultra-som na faixa das centenas de khz. Os ultra-sons refletidos por partículas veiculadas pelo fluído têm sua freqüência alterada proporcionalmente ao componente da velocidade das

Medição de Vazão partículas na direção do feixe. Estes instrumentos são conseqüentemente adequados para medir vazão de fluídos que contêm partículas capazes de refletir ondas acústicas.

2.4.5.2 - Medidores de tempo de trânsito

Ao contrário dos instrumentos anteriores, estes instrumentos não são adequados para medir vazão de fluídos que contêm partículas. Para que a medição seja possível, os medidores de tempo de trânsito devem medir vazão de fluídos relativamente limpos. Nestes medidores ( ver figura abaixo ), um transdutor-emissorreceptor de ultra-sons é fixado à parede externa do tubo, ao longo de duas geratrizes diametralmente opostas. O eixo que reúne os emissores-receptores forma com o eixo da tubulação, um ângulo α.

Os transdutores transmitem e recebem alternadamente um trem de ondas ultra-sônicas 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 distância entre os sensores, V1 a velocidade média do fluído e V2 a velocidade do som no líquido considerado, temos:

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1/t1 = Vs - V1 cos α L

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