Variáveis Medidas
4.4. Medição de Vazão Conceito
Vazão ou fluxo é o deslocamento de
volume, ou massa de um fluido, por unidade de tempo. A vazão é instantânea quando o intervalo de tempo tende para zero.
Na industria de processo, a vazão mais comum ocorre através de tubulação fechada, com seção transversal circular. Nesta vazão, outra relação matemática importante mostra que a vazão instantânea é proporcional à velocidade do fluido e à área da seção reta da tubulação, onde o fluido se desloca:
Q= ×v A
v é a velocidade do fluido
A é a área da seção da tubulação A maioria dos medidores industriais de vazão medem a vazão volumétrica, embora hoje há uma crescente aplicação com medidores mássicos. A transformação de vazão volumétrica em vazão de massa, quando necessária, é facilmente conseguida, desde que se conheça a densidade do fluido. (massa = volume/densidade) ou a pressão,
temperatura e composição para gases.
Unidades
As unidades no Sistema Internacional são, 1. vazão volumétrica: m
s
3
2. vazão mássica: kg
s
Também são usadas outras unidades não recomendadas pelo SI, como
1. LPM (litro por minuto), para se referir a vazão volumétrica de líquidos,
2. ton/h, para a vazão mássica de vapor, 3. m3/h (metro cubico por hora) para gases
As unidades inglesas mais usadas são GPM (galões por minuto) e SCFM (pé cubico padrão por minuto), referentes à vazão volumétrica.
A condição padrão para a norma ISO 51024 (1976) se refere às condições de:
Temperatura = 15 oC (59 oF)
Pressão = 101,325 kPa absoluta (14,696 psi a) Umidade relativa = 0%
A condição normal se refere às condições de: Temperatura = 0 oC (173,15 K)
Pressão = 101,325 kPa absoluta (14,696 psi a) Umidade relativa = 0%
Medidores de Vazão
Sistema de Medição
Os medidores de vazão consistem de duas partes distintas, cada uma exercendo uma função diferente:
1. elemento primário 2. elemento secundário
O elemento primário está em contato direto com o fluido (parte molhada), resultando em alguma forma interação. Esta interação pode ser a separação do jato do fluido, aceleração, queda de pressão, alteração da temperatura, formação de vórtices, indução de força
eletromotriz, rotação de impelidores, criação de uma força de impacto, criação de momento angular, aparecimento de força de Coriolis, alteração no tempo de propagação e muitos outros fenômenos naturais.
O elemento secundário tem a função de medir a grandeza física gerada pela interação com a vazão do fluido e transformá-la em volume, peso ou vazão instantânea. O
elemento secundário é finalmente ligado a um instrumento receptor de display, como
indicador, registrador ou totalizador.
As condições para a instalação apropriada e a operação correta, os erros e as outras características do elemento primário são independentes e diferentes das características do elemento secundário, de modo que eles devem ser tratados separadamente. O
elemento primário se refere especificamente à medição de vazão e o elemento secundário se refere à instrumentação em geral. A placa de orifício é o elemento primário que mede a vazão gerando uma pressão diferencial e será estuda aqui. O transmissor de pressão
diferencial, que é o elemento secundário associado a ela, será visto aqui muito superficialmente, para completar o estudo do sistema de medição. Este mesmo transmissor pode ser usado em outras aplicações, para medir nível ou pressão manométrica.
Variáveis Medidas
Tipos de Medidores
As classificações dos medidores de vazão se baseia somente no tipo do elemento primário ou no princípio físico envolvido.
Os medidores de vazão podem ser divididos em dois grandes grupos funcionais:
1. medidores de quantidade
2. medidores de vazão instantânea. Os medidores de vazão podem ser ainda classificados sob vários aspectos, como
1. relação matemática entre a vazão e o sinal gerado, se linear ou não-linear; 2. tamanho físico do medidor em relação ao
diâmetro da tubulação, igual ou diferente; 3. fator K, com ou sem
4. tipo da vazão medida, volumétrica ou mássica,
5. manipulação da energia, aditiva ou extrativa.
Obviamente, há superposições das classes; por exemplo, a medição de vazão por placa de orifício envolve um medidor de vazão
volumétrica instantânea, com saída proporcional ao quadrado da vazão, com diâmetro total, sem fator K e com extração de energia. O medidor de deslocamento positivo com pistão reciprocante é um medidor de quantidade, linear, com fator K, com diâmetro total e com extração de energia. O medidor magnético é um medidor de vazão volumétrica instantânea, com fator K, diâmetro total e com adição de energia.
Quantidade ou Vazão Instantânea
No medidor de quantidade, o fluido passa em quantidades sucessivas, completamente isoladas, em peso ou em volumes, enchendo e esvaziando alternadamente câmaras de capacidade fixa e conhecida, que são o elemento primário. O elemento secundário do medidor de quantidade consiste de um
contador para indicar ou registrar a quantidade total que passou através do medidor.
O medidor de quantidade é, naturalmente, um totalizador de vazão. Quando se adiciona um relógio para contar o tempo, obtém-se também o registro da vazão instantânea.
No medidor de vazão instantânea, o fluido passa em um jato contínuo. O movimento deste fluido através do elemento primário é utilizado diretamente ou indiretamente para atuar o elemento secundário. A vazão instantânea, ou relação da quantidade de vazão por unidade de tempo, é derivada das interações do jato e o elemento primário por conhecidas leis físicas teóricas suplementadas por relações
experimentais.
Relação Matemática Linear e Não Linear
A maioria dos medidores de vazão possui uma relação linear entre a vazão e a grandeza física gerada. São exemplos de medidores lineares: turbina, magnético, área variável, resistência linear para vazão laminar, deslocamento positivo.
O sistema de medição de vazão mais aplicado, com placa de orifício é não linear. A pressão diferencial gerada pela restrição é proporcional ao quadrado da vazão medida. Exemplo de outro medidor não-linear é o tipo alvo, onde a força de impacto é proporcional ao quadrado da vazão.
A rangeabilidade do medidor, que é a relação entre a máxima vazão medida dividida pela mínima vazão medida, com o mesmo desempenho é uma função inerente da linearidade. Os medidores lineares possuem a rangeabilidade típica de 10:1 e os medidores com grandeza física proporcional ao quadrado da vazão possuem a rangeabilidade de 3:1.
Exemplos típicos de medidores de vazão não lineares: placa de orifício, venturi, bocal, alvo, calha Parshall (exponencial); medidores lineares: turbina, deslocamento positivo, magnético, coriolis, área variável.
Fig. 4.15. Geradores de pressão diferencial proporcional ao quadrado da vazão
(a) placa de orifício (b) tubo venturi (c) tubo Pitot (d) cotovelo (elbow) (e) loop
Variáveis Medidas
Diâmetros Totais e Parciais do Medidor
Sob o aspecto da instalação do medidor na tubulação, há dois tipos básicos: com buraco pleno (full bore) ou de inserção.
A maioria dos medidores possuem aproximadamente o mesmo diâmetro que a tubulação onde ele é instalado. A tubulação é cortada, retira-se um carretel do tamanho do medidor e o instala, entre flanges ou
rosqueado.
Tipicamente o seu diâmetro é
aproximadamente igual ao da tubulação, e ele é colocado direto na tubulação, cortando a tubulação e inserindo o medidor alinhado com ela. Esta classe de medidores é mais cara e com melhor desempenho. Exemplos de medidores com diâmetro pleno: placa, venturi, bocal, turbina, medidor magnético,
deslocamento positivo, alvo, vortex.
A outra opção de montagem é através da inserção do medidor na tubulação. Os medidores de inserção podem ser portáteis e são geralmente mais baratos porém possuem desempenho e precisão piores. Exemplos de medidores: tubo Pitot e turbina de inserção.
Fig. 4.16. Medidor de vazão volumétrica tipo turbina: linear, diâmetro total, intrusiva, com fator K, saída de pulsos
Medidores Com e Sem Fator K
Há medidores que possuem o fator K, que relaciona a vazão com a grandeza física gerada. A desvantagem desta classe de medidores é a necessidade de outro medidor padrão de vazão para a sua aferição periódica. São exemplos de medidores com fator K: turbina, magnético, Vortex.
O sistema de medição de vazão com placa de orifício é calibrado e dimensionado a partir de equações matemáticas e dados
experimentais disponíveis. A grande vantagem da medição com placa de orifício é a sua calibração direta, sem necessidade de simulação de vazão conhecida ou de medidor padrão de referência.
Fig. 4.17. Medidor vortex
Medidores Volumétricos ou Mássicos
A maioria dos medidores industriais mede a velocidade do fluido. A partir da velocidade se infere o valor da vazão volumétrica (volume = velocidade x área). A vazão volumétrica dos fluidos compressíveis depende da pressão e da temperatura. Na prática, o que mais interessa é a vazão mássica, que independe da pressão e da temperatura.
Tendo-se a vazão volumétrica e a
densidade do fluido pode-se deduzir a vazão mássica. Porém, na instrumentação, a medição direta e em linha da densidade é difícil e complexa. Na prática, medem-se a vazão volumétrica, a pressão estática e a temperatura do processo para se obter a vazão mássica, desde que a composição do fluido seja constante.
Atualmente, já são disponíveis instrumentos comerciais que medem diretamente a vazão mássica. O mais comum é o baseado no princípio de Coriolis.
(a) Medidor (b) Esquema de construção
Fig. 4.18. Medidor Coriolis: mássico, intrusivo, linear, saída freqüência, fator K, energia extrativa
Variáveis Medidas
Energia Extrativa ou Aditiva
Em termos simples, os medidores de vazão podem ser categorizados sob dois enfoques diferentes relacionados com a energia: ou extraem energia do processo medido ou adicionam energia ao processo medido.
Como o fluido através da tubulação possui energia, sob várias formas diferentes, como cinética, potencial, de pressão e interna, pode- se medir a sua vazão extraindo alguma fração de sua energia. Este enfoque de medição envolve a colocação de um elemento sensor no jato da vazão. O elemento primário extrai alguma energia do fluido suficiente para faze-lo operar.
A vantagem desta filosofia é a não
necessidade de uma fonte externa de energia. Porém, o medidor é intrusivo e oferece algum bloqueio a vazão, o que é uma desvantagem inerente a classe de medição.
Fig. 4.19. Medidor magnético: energia aditiva, linear, volumétrico, fator K, não intrusivo
Exemplos de medidores extratores de energia: placa de orifício, venturi, bocal, alvo, cotovelo, área variável, Pitot, resistência linear, vertedor, calha, deslocamento positivo, turbina e vortex.
O segundo enfoque básico para medir a vazão é chamado de energia aditiva. Neste enfoque, alguma fonte externa de energia é introduzida no fluido vazante e o efeito interativo da fonte e do fluido é monitorizado para a medição da vazão. A medição com adição de energia é não intrusivo e o elemento primário oferece nenhum ou pequeno bloqueio a vazão. Como desvantagem, é necessário o uso de uma fonte externa de energia.
Exemplos de medidores aditivos de energia: magnético, sônico, termal.
O número de medidores baseados na adição da energia é menor que o de medidores com extração da energia. Isto é apenas a indicação do desenvolvimento mais recente destes medidores e este fato não deve ser
interpretado de modo enganoso, como se os medidores baseados na adição da energia sejam piores ou menos favoráveis que os medidores baseados na extração da energia.
Fig. 4.20. Rotâmetro de área variável
Seleção dos Medidores
Quanto maior o número de opções, mais difícil é a escolha. A seleção do medidor de vazão é uma tarefa difícil e complexa, geralmente exigindo várias iterações para se chegar à melhor escolha. Para dificultar a escolha, a vazão é a variável do processo industrial que possui o maior número de diferentes elementos sensores e de medidores.
São disponíveis tabelas relacionando os tipos dos medidores e as suas aplicações ideais, aceitáveis e proibidas. Porém, tais tabelas não são completas e não consideram todas as exigências e aplicações. Às vezes, elas são apresentadas pelo suspeito fabricante de determinado medidor e relacionam
imparcialmente as principais vantagens do medidor especifico. A seleção do medidor é algo tão complicado que não deve-se limitar a uma tabela bidimensional.
Os parâmetros que devem ser considerados na escolha e na especificação do medidor de vazão são os seguintes:
Dados da Vazão
Antes da seleção do medidor de vazão mais conveniente e para qualquer medidor escolhido é mandatório se ter todos os dados disponíveis da vazão de modo claro, confiável e definitivo. A vazão requer mais dados que a temperatura e a pressão, pois devem ser conhecidas as condições e instalações do processo e do fluido medido.
É necessário o conhecimento dos seguintes dados da vazão
1. o tamanho da linha a ser usada. Este dado pode ser usado como verificação
Variáveis Medidas
do dimensionamento do medidor. Nunca se poderá ter um medidor de vazão com diâmetro maior que o diâmetro da linha onde ele será montado. Quando se obtém o diâmetro do medidor maior do que o da linha, geralmente há um erro relacionado com a vazão máxima do processo, que está superdimensionada. 2. a faixa de medição vazão máxima,
mínima e normal. A vazão é a variável de processo mais afetada pela
rangeabilidade, que é a habilidade do medidor operar desde vazão muito pequena até vazão muito elevada, com o mesmo desempenho. A maioria dos erros de vazão é devida à medição de baixas vazões em um medidor
dimensionado para elevada vazão máxima.
3. a precisão requerida, que depende do uso da medição, se para uma verificação interna, se para compra e venda de produto. Deve ser bem determinado o que se está medindo (massa, velocidade ou volume), o que se está cobrando, quais as correções necessárias a serem feitas (temperatura, densidade), qual a classe de precisão e a rangeabilidade das medições (linear, não-linear). 4. a função do instrumento indicação,
registro, controle, totalização. 5. a responsabilidade e a integridade do
instrumento simples verificação, cobrança, ligado a segurança.
6. o tipo de vazão se pulsante, constante, com golpe de aríete, turbulenta, laminar. 7. as características e tipo do fluido medido
(líquido, vapor ou gás), qualidade do vapor (saturado ou superaquecido), condições (sujeira, sólidos em suspensão, abrasividade), pressão estática, temperatura do processo, perda de carga permissível, velocidade,
número de Reynolds correspondente, densidade, viscosidade,
compressibilidade, peso molecular do gás ou do vapor e pressão de vapor do líquido.
8. os efeitos de corrosão química do fluido, para a escolha dos materiais em contato direto com o processo,
Custo
O custo do sistema de medição incluem os relativos a instalação, operação e manutenção. A maioria das pessoas só considera os custos diretos e imediatos da compra dos
instrumentos, o que é incompleto.
Por exemplo, os custos de um sistema de medição com placa de orifício incluem:
1. placa (dimensionamento, confecção) 2. instalação da placa: flange com furo ou
furos na tubulação.
3. transmissor pneumático, eletrônico convencional ou inteligente. Se pneumático, ainda há custos do filtro regulador de pressão de alimentação, 4. tomada do transmissor à tubulação, com
distribuidor de três ou cinco válvulas para bloqueio e equalização,
5. instrumento receptor com escala raiz quadrática ou com escala linear mais um instrumento ou circuito extrator de raiz quadrada.
6. se não houver trecho reto suficiente para a instalação da placa, deve-se adicionar um retificador de vazão, que é muito caro.
7. quando se quer uma maior precisão do sistema de medição, pode-se montar a placa em um trecho reto especial, com as tomadas prontas, com acabamentos especiais, com centralização garantida da placa, porém este kit de medição é caríssimo.
Fig.4.21. Medidor a deslocamento positivo: totalizador natural de vazão, intrusivo, volumétrico
Quando a perda de pressão permanente provocada pela placa é muito grande, deve-se aumentar a pressão na entrada do sistema (que custa algo) ou então trocar a placa de orifício por um tubo venturi, que provoca uma perda de carga muito menor mas que custa muito mais que a placa.
Existem ainda custos invisíveis relacionados com a manutenção futura e com as calibrações posteriores. Instrumentos sem peças móveis (p. ex., medidor magnético e vortex)
normalmente requerem menos manutenção que instrumentos com peças móveis (p. ex.,
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turbina e deslocamento positivo). A calibração do medidor de vazão pode requerer um padrão de vazão com classe de precisão superior a do medidor, que pode custar mais caro que o próprio medidor. O sistema com placa de orifício é calibrado em relação à pressão diferencial e por isso requer um padrão de pressão e não requer padrão de vazão.
Quando se tem uma grande quantidade de medidores com fator K, que requerem
calibrações periódicas, deve-se fazer um estudo econômico para implantação de um laboratório de vazão, em vez de enviar todos os medidores para o laboratório do fabricante ou um laboratório especializado.
Função
A função associada à vazão, a ser fornecida pelo instrumento receptor: indicação
instantânea; registro para totalização posterior ou apenas para verificação; controle continuo ou liga-desliga ou a totalização direta da vazão, no local ou remotamente é um fator
determinante na escolha do medidor. Medidores com saída em pulso são
convenientes para totalização; medidores com saída analógica são mais apropriados para registro e controle. Para a indicação, é indiferente se o sinal é analógico ou digital. Medidores com deslocamento positivo são totalizadores naturais de vazão. Rotâmetros são adequados para indicação local e a indicação remota requer o uso do sinal de transmissão padrão.
Desempenho
A precisão do medidor inclui a
repetibilidade, reprodutitividade, linearidade, sensibilidade, rangeabilidade e estabilidade da operação. A exatidão do medidor se refere à calibração e à necessidade de recalibrações ou aferições freqüentes.
Existem medidores cuja precisão é
expressa pelo fabricante como percentagem do fundo de escala, como percentagem do valor medido ou como percentagem da largura de faixa. A precisão expressa pelo fabricante é válida apenas para o instrumento novo e nas condições de calibração. A precisão total da malha é a resultante da soma das precisões do elemento sensor, do elemento secundário, do instrumento receptor, dos padrões de
calibração envolvidos e das condições de calibração.
Geralmente, quanto mais preciso o instrumento, mais elevado é o seu custo. O medidor mais preciso é a turbina medidora de vazão, usada como padrão de calibração de outros medidores. Porém, o mesmo tipo de medidor pode ter diferentes precisões em
função do fabricante, projeto de construção e materiais empregados.
Geometria
A geometria do processo inclui a tubulação fechada, esteira ou canal aberto; a
disponibilidade de trechos retos antes e depois do local do medidor; a necessidade de uso adicional de retificadores de vazão e modificações das instalações existentes.
Medidores diferentes requerem trechos retos a montante e a jusante do medidor diferentes. Geralmente o trecho reto a montante é maior que o trecho reto a jusante. Quando o trecho reto for insuficiente, deve-se usar retificadores de vazão.
Quando o medidor é muito pesado, deve-se usar suporte para ele. Também, o medidor de vazão não pode provocar tensões mecânicas na tubulação onde ele é inserido.
As dimensões e o peso do medidor estão relacionadas com a facilidade de
armazenagem, a manipulação e a montagem do medidor na tubulação. A maioria dos medidores é instalada entre flanges e pelas especificações do fabricante, pode-se planejar os cortes na tubulação e a colocação das flanges adequadas para montar o medidor. É essencial que o medidor esteja alinhado com a tubulação, ou seja, que os eixos do medidor e da tubulação sejam coincidentes.
Instalação
A instalação do medidor inclui todos os acessórios, tomadas, filtros, retificadores, suportes e miscelânea do medidor. Antes de escolher o medidor, deve-se avaliar a facilidade da instalação na tubulação já existente, a simplicidade da operação futura e a
possibilidade de retirada e de colocação do medidor sem interrupção do processo.
Todo medidor de vazão deve ser montado em local de fácil acesso para o operador de campo do processo e principalmente, para o instrumentista reparador. Quando a retirada do medidor não pode afetar a operação do processo, deve-se prover um bypass para o medidor. Medidores de vazão para compra e venda de material não deve ter by pass. É disponível dispositivo para retirar e colocar placa de orifício na tubulação, sem interrupção do processo (válvula Daniel ou Pecos).
Medidores frágeis, com peças móveis e que manipulem fluidos com sólidos em suspensão geralmente requerem filtros a montante. Os inconveniente do filtro são o seu custo em si e o aumento da perda de carga permanente.
Variáveis Medidas
Faixa de Medição
A faixa de medição da vazão inclui os valores máximo e mínimo, largura de faixa, condições de pressão estática e de
temperatura do processo. Embora toda faixa teórica de medição seja de 0 até a vazão máxima, a rangeabilidade do medidor define a vazão mínima que pode ser medida com a mesma precisão que a máxima. Os medidores lineares possuem maior rangeabilidade que os medidores com saída proporcional ao quadrado da vazão, como a placa de orifício. Os
medidores digitais possuem maior rangeabilidade que os analógicos.
O diâmetro do medidor de vazão é sempre menor que o diâmetro da tubulação; em raros casos ambos os diâmetros são iguais. Um medidor deve ser dimensionado ter capacidade de, no máximo, 80% da vazão máxima de projeto e a vazão normal de trabalho deve estar