Medidores de vazao

Medidores de vazao

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MARABÁ 2011

“As dificuldades são o aço estrutural que entra na construção do caráter” Carlos Drummond de Andrade

3 RESUMO

Medidas de vazão, expresso em termos da taxa volumétrica ou em velocidade de massa, são usadas em muitas aplicações, tais como controle de processo industrial, sistemas de abastecimento de uma cidade, sistema de dutos petrolíferos e sistemas de irrigação. Os fluidos envolvidos podem ser líquidos, gás ou uma mistura dos dois. O fluxo pode ser confinado ou fechado (como em um duto), semi-confinado (como em um rio ou um canal aberto), ou não confinado (como em um jato de líquido). Em cada caso muitos métodos de medidas de fluxo podem ser usados.

Em muitos estudos experimentais de escoamentos é necessário determinar o módulo e a direção da velocidade do fluido em alguns pontos da região estudada. Apesar de ser impossível a obtenção da velocidade num ponto, pode-se determinar a velocidade média numa pequena área ou volume através de instrumentos adequados. Para tanto, descreveremos neste trabalho os diferentes tipos de medidores de vazão.

Palavras-chave: Medidas de vazão. Fluidos. Medidores de vazão.

4 ABSTRACT

Measurements of flow expressed in terms of volume rate or mass velocity, they are used in many applications such as industrial process control, supply systems of water in a city, petroleum pipelines systems and irrigation systems. The fluids involved may be liquid, gas or a mixture of both. The flow can be confined or closed (as in a duct), semi-confined (as in a river or an open channel), or not confined (as in a jet of liquid). In each where many methods of flow measurements can be used.

In many experimental studies of flow is needed to determine the magnitude and direction of the fluid’s velocity in some parts of the studied region. Although it is impossible to obtain the velocity at a point, it can be determined the medium velocity in a small area or volume through appropriate tools. This work describes the differents types of flowmeters.

Keywords: Measurements of flow. Fluids. Flowmeters.

5 LISTA DE ILUSTRAÇÕES

FIGURA 01 - Representação de medidores de quantidade volumétrica9
FIGURA 02 - Classificação dos medidores de vazão10
FIGURA 03 - Medição de vazão usando placa de orifício1
FIGURA 04 - Tipos de orifícios12
FIGURA 05 - Placa de Orifício12
FIGURA 06 – Tubo de Venturi13
FIGURA 07 – Esquema do Bocal de Vazão13
FIGURA 08 – Bocal de Vazão14
FIGURA 09 – Tubo de Pitot14
FIGURA 10 – Medidor tipo Annubar15
FIGURA 1 – Esquema de um Rotâmetro15
FIGURA 12 – Rotâmetros variados16
FIGURA 13 – Medidor tipo Turbina16
FIGURA 14 – Representação do princípio de operação em Medidor Magnético17
FIGURA 15 – Medidor tipo Vortex18
FIGURA 16 – Medidor por efeito Coriolis18
FIGURA 17 – Esquema do princípio de efeito Doppler19
FIGURA 18 – Medidor de vazão por efeito Doppler20
FIGURA 19 – Medidor de Tempo de Trânsito21
FIGURA 20 – Medição de vazão em Calha Parshall21
FIGURA 21 - Esquema de medição de vazão por meio de um vertedor2

FIGURA 2 – Vertedouros.......................................................................................................2

6 SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO7
2 MEDIDORES DE VAZÃO9
3 MEDIDORES VOLUMÉTRICOS10
3.1 MEDIDORES POR PRESSÃO DIFERENCIAL10
3.1.1 PLACA DE ORIFÍCIO1
3.1.2 TUBO DE VENTURI12
3.1.3 BOCAL DE VAZÃO13
3.1.4 TUBO DE PITOT14
3.1.5 MEDIDOR TIPO ANNUBAR15
3.2 MEDIDOR POR ÁREA VARIÁVEL15
3.3 MEDIDOR POR VELOCIDADE16
3.4 MEDIÇÃO POR TENSÃO INDUZIDA17
3.5 MEDIDORES ATRAVÉS DE VORTICES17
3.6 MEDIDORES MÁSSICOS18
3.7 MEDIÇÃO POR ULTRA SOM19
3.7.1 MEDIDORES DE EFEITO DOPPLER19
3.7.2 MEDIDORES DE TEMPO DE TRÂNSITO20
3.8 MEDIÇAO EM CANAIS ABERTOS21
3.8.1 CALHA DE PARSHALL21
3.8.2 VERTEDOR21
4 CONCLUSÃO23

5 REFERÊNCIAS .................................................................................................................. 24

7 1 INTRODUÇÃO

A vazão é a terceira grandeza mais medida nos processos industriais. As aplicações são muitas, indo desde aplicações simples como a medição de vazão de água em estações de tratamento e residências, até medição de gases industriais e combustíveis, passando por medições mais complexas. A escolha correta de um determinado instrumento para medição de vazão depende de vários fatores. Dentre estes, pode-se destacar: exatidão desejada para a medição; tipo de fluido (líquido ou gás, limpo ou sujo, número de fases); condutividade elétrica; transparência; condições termodinâmicas: por exemplo, níveis de pressão e temperatura nos quais o medidor deve atuar; espaço físico disponível; custo, etc. (CASSIOLATO et al, 2008)

O fluxo pode ser confinado ou fechado (como em um duto), semiconfinado (como em um rio ou um canal aberto), ou não confinado (como em um jato de líquido). Em cada caso muitos métodos de medidas de fluxo podem ser usados.

A quantidade total movimentada pode ser medida em unidades de volume (litros, mm3, cm3, m3, galões, pés cúbicos) ou em unidades de massa (g, Kg, toneladas, libras). A vazão instantânea é dada por uma das unidades acima, dividida por uma unidade de tempo (litros/min, m3/hora, galões/min). No caso de gases e vapores, a vazão instantânea pode ser expressa, em Kg/h ou em m3/h. Quando se mede a vazão em unidades de volume, devem ser especificadas as "condições base" consideradas. Assim no caso de líquidos, é importante indicar que a vazão se considera "nas condições de operação", ou a 0ºC, 20ºC, ou a outra temperatura. qualquer. Na medição de gases, é comum indicar a vazão em Nm3/h (metros cúbicos normais por hora, ou seja, a temperatura. de 0ºC e a pressão atmosférica) ou em SCFM (pés cúbicos standard por minuto - temperatura. 60ºF e 14,696 PSIA de pressão atmosférica). Vale dizer que: 1 m3 = 1000 litros 1 galão (americano) = 3,785 litros 1 pé cúbico

= 0,0283168 m3 1 libra = 0,4536 Kg

A medição de vazão de fluidos sempre esteve presente em nosso dia-a-dia. Por exemplo, o hidrômetro de uma residência, o marcador de uma bomba de combustível nos veículos, etc. (CASSIOLATO et al, 2008)

Na História, grandes nomes marcaram suas contribuições. Em 1502 Leonardo da

Vinci observou que a quantidade de água por unidade de tempo que escoava em um rio era a mesma em qualquer parte, independente da largura, profundidade, inclinação e outros. Mas o desenvolvimento de dispositivos práticos só foi possível com o surgimento da era industrial e o trabalho de pesquisadores como Bernoulli, Pitot e outros. (CASSIOLATO et al, 2008)

9 2 MEDIDORES DE VAZÃO

Medidor de vazão é todo dispositivo que permite, de forma indireta, determinar o volume de fluido que passa através de uma dada seção de escoamento por unidade de tempo.

Existem dois tipos de medidores de vazão, os medidores de quantidade (por pesagem e volumétrica) e os medidores volumétricos. (TRIELLI, 2010)

Medidores de Quantidade por pesagem são utilizados para medição de sólidos, que são as balanças industriais.

Medidores de Quantidade Volumétrica são aqueles que o fluido, passando em quantidades sucessivas pelo mecanismo de medição faz com que o mesmo acione o mecanismo de indicação. São estes medidores que são utilizados para serem os elementos primários das bombas de gasolina e dos hidrômetros. Exemplo: disco nutante (figura 1A), tipo pistão rotativo oscilante (figura 1B), tipo pistão alternativa, tipo pás (figura 1C), tipo engrenagem (figura 1D), etc. (ALVES, 2002)

1A1B
1C 1D

Figuras 1A, 1B, 1C e 1D: Representação de medidores de quantidade volumétrica. Fonte; (ALVES, 2002)

Os medidores volumétricos são classificados da seguinte maneira como mostra a figura 1:

Figura 2: Classificação dos medidores de vazão. Fonte: (COELHO, 2009)

3 MEDIDORES VOLUMÉTRICOS

São aqueles que exprimem a vazão por unidade de tempo.

3.1 MEDIDORES POR PRESSÃO DIFERENCIAL

A pressão diferencial é produzida por vários tipos de elementos primários colocados na tubulação de forma tal que o fluido passe através deles. A sua função é aumentar a velocidade do fluido 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. Uma vantagem primordial dos medidores de vazão por ∆P, é que os mesmos podem ser aplicados numa grande variedade de medições, envolvendo a maioria dos gases e líquidos, inclusive fluídos com sólidos em suspensão, bem como fluídos viscosos, em uma faixa de temperatura e pressão bastante ampla. Um inconveniente deste tipo de medidor é a perda de carga que o mesmo causa ao processo , sendo a placa de orifício, o dispositivo que provoca a maior perda de carga "irrecuperável" ( de 40% a 80% do ∆P gerado).

3.1.1 PLACA DE ORIFÍCIO

Dos muitos dispositivos inseridos numa tubulação para se criar uma pressão diferencial, o mais simples e mais comum empregado é o da placa de orifício. Consiste em uma placa precisamente perfurada, a qual é instalada perpendicularmente ao eixo da tubulação. É essencial que as bordas do orifício estejam sempre perfeitas, porque, se ficarem, imprecisas ou corroídas pelo fluído, a precisão da medição será comprometida. Comumente, são fabricadas com aço inox, monel, latão, etc., dependendo do fluído. (ALVES, 2002)

Figura 3: Medição de vazão usando placa de orifício. Fonte: (CASSIOLATO et al, 2008)

Os orifícios podem ser das seguintes formas como mostrados na figura: orifício concêntrico que é utilizado para líquidos, gases e vapor que não contenham sólidos em suspensão; orifíco excêntrico que utilizada fluído com sólidos em suspensão, os quais possam ser retidos e acumulados na base da placa (sendo o orifício posicionado na parte de baixo do tubo) e orifício segmental que apresenta abertura para passagem de fluido, disposta em forma de segmento de círculo. Este último é destinado para uso em fluídos laminados e com alta porcentagem de sólidos em suspensão.

Figura 4: Tipos de orifícios. Fonte: (ALVES, 2002)

Figura 5: Placa de Orifício Fonte: Prestserv Eletromecânica http://www.prestserv.com/produtos.php

3.1.2 TUBO DE 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 tubulação. Seu propósito é acelerar o fluído e temporariamente baixar sua pressão estática.

A recuperação de pressão em um tubo Venturi é bastante eficiente, como podemos ver na figura 6 a seguir, 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.

Figura 6: Tubo Venturi. Fonte: (ALVES, 2002)

3.1.3 BOCAL DE VAZÃO

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 até atingir a seção mais estrangulada do elemento de medição, seguindo uma curva elíptica ou pseudoelíptica. Seu principal uso é em medição de vapor com alta velocidade, p/ tubulações > 50 m.

É um medidor semelhante ao tubo Venturi, porém sem a tubeira divergente, sendo também chamado tubo Venturi curto. Seu equacionamento fornece resultados bastante próximos aos obtidos para o tubo Venturi.

Figura 7: Esquema do Bocal de vazão. Fonte: (TRIELLI, 2010)

O Bocal de vazão (Flow nozzle) é em muitos aspectos um meio termo entre a placa de tubo Venturi. O perfil dos bocais de vazão permite sua aplicação em serviços onde abrasivo e corrosivo. O perfil de entrada é projetado de forma seção mais estrangulada do elemento de medição, seguindo uma curva elíptica ou Seu principal uso é em medição de vapor com alta velocidade,

É um medidor semelhante ao tubo Venturi, porém sem a tubeira divergente, sendo também chamado tubo Venturi curto. Seu equacionamento fornece resultados bastante próximos aos obtidos para o tubo Venturi. (TRIELLI, 2010)

: Esquema do Bocal de vazão.

O Bocal de vazão (Flow nozzle) é em muitos aspectos um meio termo entre a placa de tubo Venturi. O perfil dos bocais de vazão permite sua aplicação em serviços onde abrasivo e corrosivo. O perfil de entrada é projetado de forma a guiar a veia fluída seção mais estrangulada do elemento de medição, seguindo uma curva elíptica ou Seu principal uso é em medição de vapor com alta velocidade, recomendado

É um medidor semelhante ao tubo Venturi, porém sem a tubeira divergente, sendo também chamado tubo Venturi curto. Seu equacionamento fornece resultados bastante

Figura 8: Bocal de vazão. Fonte: Prestserv Eletromecânica http://www.prestserv.com/produtos.php

3.1.4 TUBO DE PITOT

O tubo de Pitot é simplesmente um tubo oco de seção circular de pequeno diâmetro, forma de L, cujo eixo se alinha com a direção da velocidade do fluxo no ponto de medida (figura 9). No Tubo de Pitot se conecta um medidor de pressão, como por exemplo um manômetro de coluna, a pressão lida neste medidor corresponde a pressão no ponto E na figura 9, que se denomina "pressão de estagnação" ou pressão total do fluxo no ponto 0. A pressão de "estancamento de uma partícula de fluido em um determinado ponto é a pressão que alcançaria a partícula se fosse desacelerada até o repouso sem perda de energia. Da definição pode-se concluir que:

Figura 9: Tubo de Pitot. Fonte: (Rivas Nieto, 2008)

3.1.5 MEDIDOR TIPO ANNUBAR

O Annubar (figura 10 todo o diâmetro do tubo. O annubar é projetado para medir a vazão total , de forma diferente dos dispositivos tradicionais de

Figura 10: Medidor tipo Annubar Fonte: (Rivas Nieto, 2008)

3.2 MEDIDOR POR ÁREA VARIÁVEL

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.

O Rotâmetro (figura onde escoa o fluido, e por um flutuador (mais pesado que o fluido) que se posiciona dentro do tubo cônico em conformidade com o valor da vazão.

Figura 1: Esquema de um rotâmetro. Fonte: (COELHO, 2009)

5 MEDIDOR TIPO ANNUBAR 10) é um dispositivo de produção de pressão diferencial que ocupa O annubar é projetado para medir a vazão total , de forma diferente dos dispositivos tradicionais de pressão diferencial .

: Medidor tipo Annubar

Rotâmetros são medidores de vazão por área variável, nos quais um flutuador varia dentro de um tubo cônico, proporcionalmente à vazão do fluido. figura 1) é constituído por um tubo transparente cônico graduado, por onde escoa o fluido, e por um flutuador (mais pesado que o fluido) que se posiciona dentro do tubo cônico em conformidade com o valor da vazão. (TRIELLI, 2010)

Esquema de um rotâmetro.

é um dispositivo de produção de pressão diferencial que ocupa O annubar é projetado para medir a vazão total , de forma diferente

Rotâmetros são medidores de vazão por área variável, nos quais um flutuador varia dentro de um tubo cônico, proporcionalmente à vazão do fluido. constituído por um tubo transparente cônico graduado, por onde escoa o fluido, e por um flutuador (mais pesado que o fluido) que se posiciona dentro do

Figura 12: Rotâmetros variados. Fonte: (COELHO, 2009)

3.3 MEDIDOR POR VELOCIDADE

MEDIDOR TIPO TURBINA O medidor 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 lâminas do rotor. Á 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 à bobina. Verifica-se então a indução de um ciclo de tensão alternada. A freqüência dos pulsos gerados desta maneira é proporcional á velocidade do fluido e a vazão pode ser determinada pela medição totalização de pulsos. (ALVES, 2002)

Figura13: Medidor tipo Turbina. Fonte: (COELHO, 2009)

3.4 MEDIÇÃO POR TENSÃO INDUZIDA

MEDIDOR MAGNÉTICO O medidor magnético de vazão é seguramente um dos medidores mais flexíveis e universais dentre os métodos de medição de vazão. Sua perda de carga é equivalente a de um trecho reto de tubulação, já que não possui qu densidade e à viscosidade do fluido de medição. Medidores magnéticos são, portanto ideais para medição de produtos químicos altamente corrosivos, fluidos com sólidos em suspensão, lama, água, polpa de papel. Su químicas, papel e celulose, princípio é que o fluído tem que ser fato de fluidos com propriedades magnéticas Nieto, 2008)

Figura 14: Representação do princípio de operação de um medidor magnético. Fonte: (Rivas Nieto, 2008)

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