Os Medidores de Vazão

ENG233 – INSTRUMENTAÇÃO E COMTROLE – PROFESSOR LEONARDO GUSMÃO - 2018.1

RESUMO TEÓRICO

Por Camila Oliveira da Cruz Santos

TEMA: MEDIDORES DE NÍVEL/VAZÃO

1. Medidores de vazão

Sensores de vazão são instrumentos utilizado para determinar a quantidade de fluido (volume ou massa) de está passando por um ponto em um intervalo de tempo. Esses instrumentos são de suma importância no âmbito industrial, sendo crucial na prevenção de acidentes.

Existe uma enorme variedade de medidores de vazão, a seguir, tem-se uma breve descrição dos mais comuns.

1. Medidor de vazão tipo turbina:

As mais variadas substancias são transportadas e distribuídas em sistemas de tubulação todos os dias, exemplo disso são os solventes e substancias químicas, óleos e gases, fluidos de transferência de calor na indústria primária ou vapor para a transmissão de energia.

Os fluidos que percorrem o interior dos tubos geralmente apresentam propriedades distintas. Consequentemente, são necessários diferentes princípios para suas medições. Um exemplo desses instrumentos é o medidor de vazão tipo turbina.

Trata-se, basicamente, de um rotor posicionado no interior da tubulação paralelamente ao fluxo. Quando o fluido entra em movimento, ele aciona as paletas do rotor. A velocidade angular alcançada por elas será proporcional à velocidade do fluido e, consequentemente, proporcional à sua vazão. O movimento do rotor é detectado e mensurado por um sensor de rádio frequência, que fica na parte externa da tubulação e não entra em contato com o fluido.

Ele pode ser utilizado para líquidos não muito viscosos e para gases (contanto que estejam limpos).

1. Medidor de vazão Vórtice:

Na Itália, no sécula XVI, Leonardo da Vince observou como os vórtices formavam-se em água corrente. Carca de 400 anos depois, o físico húngaro Theodore Van Kármán descreveu as leis físicas que determinaram como os vórtices se formaram.

O método de medição de vazão por vórtice funciona da seguinte forma: uma base rígida é localizada no meio do tubo, dentro de cada medidor de vórtice de vazão. Esta haste é um tipo obstáculo não-aerodinâmico, chamado bluff body, que perturba o fluxo. Acima do corpo desta haste há um sensor mecânico que consegue registrar as menores diferenças de pressão no fluido. Se não há vazão, nenhum vórtice se forma. Assim que o fluido começa a se mover e alcança certa taxa de vazão, vórtices, gradualmente, aparecem após a haste rígida. Estes vórtices são separados alternadamente em ambos os lados da haste (esquerdo e direito) e são carregados pelo fluido corrente. Neste ponto, pequenos e grandes “zunidos” de pressão aparecem no fluxo e, portanto, criam um fenômeno conhecido como “Kármán Vortex Street”. Estas diferenças de pressão correspondem exatamente à frequência dos vórtices e são precisamente registradas pelo sensor mecânico.

Este sensor é tão bem equilibrado que vibrações de até 1G, ondas de pressão e choques de temperaturas não têm nenhum efeito sobre a medição. A distância entre dois vórtices consecutivos corresponde a um volume definido do fluido, então, a vazão total pode ser calculada contando os vórtices que passam. Quanto maior a velocidade da vazão, maior será a frequência medida dos vórtices.

Em algumas aplicações a velocidade é baixa demais para vórtices perceptíveis se formarem. Entretanto, a velocidade pode ser aumentada, simplesmente, instalando-se u medidor de vórtice com uma secção transversal reduzida. Esta modificação não afeta a precisão da medição.

A funcionalidade desde equipamento pode ser melhorada incorporando-se medição opcional de temperatura no sensor. Uma configuração como esta, juntamente com um computador de vazão integrado, permite o cálculo de massa em função da temperatura e vazão de energia. Esta característica é particularmente importante em processos industriais envolvendo vapor saturado ou gases.

1. Método de vazão de ultrassom:

Outra possibilidade é a medição de vazão baseada na diferença de tempo de transporte do ultrassom.

A física básica desse princípio pode ser atribuída ao físico inglês e vencedor do prêmio Nobel Lord Reyleigh, que, em 1877, descreveu a propagação de ondas sonoras em sólidos e gases.

Este método funciona da seguinte forma: sinais ultrassônicos são transmitidos e recebidos, alternadamente, por pares de sensores dispostos de maneira conveniente e o tempo de envio e de recebimento de cada sinal é medido. Os sinais ultrassônicos são gerados aplicando-se uma voltagem em cristais piezoelétricos, mutualmente, os cristais piezoeléctricos criam uma voltagem quando o sinal ultrassônico atinge o sensor. Quando não há vazão, os tempos de transporte do sinal são os mesmos tanto na transmissão quanto na recepção. Por outro lado, quando se inicia a vazão do fluido, os sinais ultrassônicos são acelerados na direção do fluido e desacelerados contra o fluxo. Como resultado, os sinais agora têm diferentes tempos de envio: menos tempo em direção ao fluxo, mais tempo contra o fluxo. Assim, o tempo de trânsito diferencial medido pelos sensores é diretamente proporcional à velocidade do fluxo no tubo. Quanto maior a velocidade do fluxo, maior será a diferença de tempo medido entre os dois sinais. Como se conhece a secção transversal do tubo, o volume do fluxo pode ser calculado.

1. Medidor de vazão térmico:

Os mais variados gases são transportados e distribuídos em sistemas de tubulações todos os dias. Exemplo disso são medição de dióxido de carbono na indústria de alimentos e bebidas, nitrogênio e oxigênio em produtos farmacêuticos ou gás natural para caldeiras e queimadores.

Gases percorrendo tubos, geralmente, apresentam propriedades diferentes causadas por mudanças nas condições do processo, por isso, diferentes sistemas de operação são necessários para suas medições. Para se aferir a vazão de um gás em uma dada tubulação, pode-se utilizar a medição baseada no princípio térmico.

A física básica deste princípio pode ser atribuída ao físico canadense Louis Vessot King. Em 1914 ele descreveu matematicamente o transporte de calor em fluxos.

Este método funciona da seguinte forma: dentro de cada medidor térmico de vazão estão dois sensores de temperatura. Um dos sensores mede a temperatura real do gás como referência, independentemente da velocidade do fluxo. O segundo sensor é aquecido por meio de energia elétrica de forma a se estabelecer uma diferença pré-definida de temperatura entre os dois sensores, por exemplo 15 graus. Desta forma, tem-se o seguinte cenário inicial: Um sensor em equilíbrio térmico com o gás e outro com 15°C a mais que o primeiro. Quando se inicia a vazão no tubo, o fluxo passa pelo sensor aquecido e retira calor dele, de forma a buscar o equilíbrio térmico. O efeito do resfriamento no sensor aquecido é medido e compensado imediatamente, adicionando-se mais corrente de aquecimento. Como resultado, a diferença da temperatura é continuamente medida.