Medição de vazão

Uma leitora quer saber o que é vazão. É  um determinado volume transportado em um certo intervalo de tempo, sendo que sua unidade pode ser litros por segundo, m³ por segundo, etc. Como uma das grandezas mais utilizadas na indústria, a vazão tem diversas aplicações desde medição de vazão de água em estações de tratamento e residências até medição de gases industriais e combustíveis, passando por medições mais complexas como a vazão de sangue no sistema circulatório. Em linhas gerais, a escolha correta de um determinado instrumento para medição de vazão depende de vários fatores: exatidão desejada para a medição; tipo de fluido: se líquido ou gás, limpo ou sujo, número de fases, condutividade elétrica, transparência, etc.; condições termodinâmicas: níveis de pressão e temperatura nos quais o medidor deve atuar (entre outras propriedades); espaço físico disponível; e custo. Já a calibração de medidores de vazão é baseada em padrões de volume (comprimento) e tempo, no caso de vazão volumétrica, e massa e tempo, no caso de vazão mássica. No caso de líquidos, mede-se o tempo necessário para encher um volume conhecido ou volume acumulado em um dado tempo. Variando-se o volume e o tempo pode-se atingir baixos níveis de incerteza experimental no procedimento de calibração.

Para o caso de gases, mede-se o tempo necessário para deslocar um volume conhecido de gás à pressão e temperatura constantes. Quando se deseja realizar aferições a pressões superiores à atmosférica, pode-se utilizar um pistão de líquido.Dessa forma, a vazão pode ser definida como sendo a quantidade volumétrica ou mássica de um fluido que escoa através de uma seção de uma tubulação ou canal por unidade de tempo. Já a vazão volumétrica pode ser definida como sendo a quantidade em volume que escoa através de certa secção em um intervalo de tempo considerado. As unidades volumétricas mais comuns são: m3/s, m3/h, l/h, l/min, GPM (galões por minuto), Nm3/h (normal metro cúbico por hora), SCFH (normal pé cúbico por hora), entre outras.

Q= V/t,

onde: V = volume, t = tempo, Q = vazão volumétrica

A vazão mássica é definida como sendo a quantidade em massa de um fluido que escoa através de certa secção em um intervalo de tempo considerado. As unidades de vazão mássica mais utilizadas são: kg/s, kg/h, t/h, lb/h.

Qm= m/t,

onde: m = massa, t = tempo, Qm = vazão mássica

Para medição de vazão, faz-se necessário rever alguns conceitos relativos a fluidos, pois eles influenciam na vazão de modo geral.

  • Calor Específico – definido como o quociente da quantidade infinitesimal de calor fornecido a uma unidade de massa de uma substância pela variação infinitesimal de temperatura resultante deste aquecimento. Na prática, temos: A quantidade de calor necessária para mudar a temperatura de 1 grama de uma substância em 1ºC.
  • Viscosidade – é definida como sendo a resistência ao escoamento de um fluido em um duto qualquer. Esta resistência provocará uma perda de carga adicional que deverá ser considerada na medição de vazão.
  • Número de Reynolds – número adimensional utilizado para determinar se o escoamento se processa em regime laminar ou turbulento. Sua determinação é importante como parâmetro modificador do coeficiente de descarga.

Re= v.D/u

onde : v – velocidade (m/s)

D – diâmetro do duto (m)

u – viscosidade cinemática (m²/s)

  • Distribuição de velocidade em um duto – em regime de escoamento no interior de um duto, a velocidade não será a mesma em todos os pontos. Será máxima no ponto central do duto e mínima na parede do duto.
  • Regime laminar – é caracterizado por um perfil de velocidade mais acentuado, onde as diferenças de velocidades são maiores.
  • Regime turbulento – é caracterizado por um perfil de velocidade mais uniforme que o perfil laminar e suas diferenças de velocidade são menores.

Dessa forma, definir o melhor medidor de vazão depende de uma série de fatores e deve ser resultado de uma análise abrangente do problema. A primeira questão a ser avaliada é o tipo de aplicação a que se destina o medidor, ou seja, qual o tipo de fluído que deve ser medido e controlado, se é um líquido ou se é um gás, se ele é monofásico ou multifásico, quais as condições de pressão e temperatura que ocorre o processo, quais as condições ambientais que cercam o medidor, entre outros.

O segundo item a ser avaliado diz respeito à confiabilidade e incerteza requerida sobre o valor medido, ou seja, mais ou menos 5% de incerteza pode ser satisfatório ou há a necessidade de uma incerteza mais baixa sobre a medição. O terceiro item a ser analisado pode ser o referente aos recursos de que se dispõe para o investimento, sendo ele muitas vezes, e infelizmente, o que predomina na escolha do medidor.

A tecnologia do ultrassom aplicada à medição de vazão de fluídos foi viabilizada com o desenvolvimento da eletrônica e dos processadores de sinais. Sem dúvida, trata-se de uma tecnologia que possui muitas vantagens frente às demais, como por exemplo, a de não obstruir o escoamento, o que, para determinadas aplicações, é um parâmetro crítico. Já existe no mercado uma série de fabricantes de medidores de vazão por ultrassom, tanto para gases quanto para líquidos, sendo que no exterior este tipo de medidor vem ganhando mercado gradativamente.

Tipos de medidores

  • Medidor de vazão tipo rotor magnético – É um sistema composto por um sensor e uma unidade eletrônica e que foi desenvolvido para a medição de vazão de líquidos em tubulações fechadas. A montagem do sensor é facilitada pelo fato deste ser do tipo inserção, ou seja, não é necessário efetuar o seccionamento da tubulação. Um simples furo no tubo, com o acoplamento de uma luva, pode ser suficiente na maioria dos casos. Diferentes tipos de conexões, como tês, abraçadeiras ou wafer, encontram-se disponíveis para outras situações. Devido a esta característica, toda a instalação é efetuada de modo fácil e rápido. O sensor, que possui em sua extremidade um rotor, mede a velocidade de escoamento do fluxo no interior do tubo. Uma vez determinada a velocidade e conhecendo-se a secção transversal da tubulação, chega-se ao valor da vazão. Este cálculo é efetuado pela unidade eletrônica (que pode ser integral ou remota) ao qual o sensor está conectado, de onde é possível obter informações como vazão instantânea, totalização e acesso aos parâmetros de configuração. Os sensores estão disponível em diferentes modelos com relação ao material de fabricação e aplicabilidade. Do mesmo modo, diversas opções de unidades eletrônicas podem ser utilizadas : a mais simples possuindo somente indicação analógica até a mais avançada, que apresenta além de indicação, totalização, saída 4-20 mA, saída relê para alarme ou controle e entrada para dois canais. Tem como características:

– Um único tamanho de sensor pode cobrir diferentes diâmetros;

– Aplicável em tubulações de 0,5 a 36”;

– Sensores disponíveis em PP, PVDF, AISI ou latão;

– Alta repetitibilidade e linearidade;

– Unidades eletrônicas disponíveis com indicação analógica, digital ou ambas;

– Indicação de vazão instantânea e totalização;

– Montagem integral ou remota da unidade eletrônica;

– Opção para saída 4-20 mA e/ou relés para alarme ou controle;

– Fácil instalação e montagem (inserção);

– Versão para alta temperatura e/ou pressão.

Pode ser aplicado em: sistemas de osmose reversa, filtração e produção de água pura; sistemas de refrigeração (torres de resfriamento); dosagem química; macromedição; distribuição de água; proteção de bombas; água, produtos químicos agressivos, efluentes tratados, etc.

  • Medidor de vazão eletromagnético – Desenvolvido para a medição de vazão de líquidos em tubulações fechadas, o medidor eletromagnético não possui qualquer parte móvel e utiliza montagem por inserção, facilitando sua instalação em campo. A medição da vazão é baseada no princípio de indução eletromagnética (Lei de Faraday), que mais especificamente, determina a velocidade de escoamento do fluído no interior do tubo. Conhecendo-se a secção transversal e a velocidade, a vazão é determinada por um circuito eletrônico microprocessado. A instalação por inserção pode ser efetuada diretamente na tubulação através de uma luva ou por meio de acessórios como abraçadeiras ou tês (dependendo da versão). Apresenta saída analógica de 4-20 mA proporcional à vazão instantânea em todos os modelos, possibilitando sua ligação a outros dispositivos como CLPs, indicadores remotos, registradores de dados, entre outros. Um dos modelos com sinal de saída em forma de trem de pulsos pode ser conectado a indicadores remotos onde é possível obter-se a totalização, saída relê para alarme ou controle, indicação digital ou analógica e entrada para dois sensores (dependendo do modelo). Suas características:

– Sem partes móveis;

– Um único tamanho de sensor pode cobrir diferentes diâmetros;

– Aplicáveis em tubulações de até 40”;

– Saída de 4-20 mA;

– Modelo com indicador local e saída pulso;

– Indicador remoto com totalização opcional.

Aplicado em: macromedição; distribuição de água; água (tratada e bruta), efluentes, entre outros; líquidos com condutividade mínima de 5 mS/cm.

  • Medidor de vazão vortex – Desenvolvido para a medição de vazão de líquidos limpos em tubulações fechadas, sendo fabricado totalmente em material termoplástico. Seu funcionamento é baseado na medição de velocidade do fluído a partir da quantidade de vórtices formados quando o líquido passa por um pequeno objeto estático que cruza o interior do tubo. Um sensor localizado após este objeto (que pode ser piezoelétrico ou ultra-sônico) monitora continuamente os vórtices gerados enviando um sinal que será processado por um circuito eletrônico microprocessado. Uma vez que se conhece a secção transversal do tubo e tendo-se o valor da velocidade, a vazão pode ser determinada. O corpo do sensor é totalmente injetado em material termoplástico, garantindo que uma superfície completamente lisa e adequada para uso em aplicações higiênicas. Diversas opções de materiais para o sensor encontram-se disponíveis para obter a melhor compatibilidade química com o meio, além de diferentes tipos de conectores para a conexão do medidor ao processo. Pode apresentar montagem integral (com ou sem indicador local) ou remota, conectado a um indicador que além de mostrar o valor da vazão instantânea indicará a totalização. Uma ampla gama de indicadores podem ser ligados ao medidor vortex, desde os mais simples (somente indicação) até os mais completos, que possuem saídas para alarme ou controle, indicação analógica e digital ou entrada para dois sensores. Tem como características:

– Sem partes móveis;

– Disponível para tubulações de 0,5 a 4”;

– Sensor injetado em material termoplástico;

– Materiais disponíveis: PP, PVDF, PVC, HP-PVDF (alta pureza);

– Diversas opções de conectores;

– Saída de 4-20 mA ou pulsos;

– Ampla gama de indicadores remotos;

– Totalização de volume;

– Indicador local opcional;

– Montagem integral ou remota.

Suas principais aplicações: sistemas de osmose reversa, filtração e produção de água pura; sistemas de água deionizada ou desmineralizada; sistemas de refrigeração (torres de resfriamento); efluentes tratados; dosagem química; produtos químicos agressivos.

  • Medidor para microvazões – Utilizado na medição de vazão de líquidos limpos que são extremamente pequenas. No interior do sensor existe uma pequena peça em forma de turbina que gira quando o fluído passa por ela. A velocidade de rotação desta turbina será diretamente proporcional à velocidade de escoamento do líquido. Um sinal é gerado pelo sensor e enviado a uma unidade eletrônica remota. Uma vez conhecendo-se a vazão e a secção transversal do tubo, a vazão pode então ser determinada. Apresenta o corpo do sensor em material termoplástico (PVDF ou sulfeto de polifenileno) e possibilidade de conexão ao processo por meio de mangueiras (rígidas ou flexíveis) além diferentes versões em função da faixa de vazão operacional. O sensor pode ser interligado a indicadores remotos onde é possível visualizar além da vazão instantânea a totalização. Uma ampla gama de indicadores podem ser ligados ao micromedidores, desde os mais simples (somente indicação) até os mais completos, que possuem saídas para alarme ou controle, indicação analógica e digital ou entrada para dois sensores. Tem como características:

– Diversas faixas de medição;

– Baixa perda de carga;

– Pode ser conectado a tubos/mangueiras de 0,25 a 0,5”;

– Versões com diferentes opções de conectores;

– Ampla gama de indicadores remotos;

– Totalização de volume;

– Distância máxima entre sensor e indicador: 300 m.

Pode ser aplicado em: dosagem química; laboratórios; proteção de bombas; processos de batelada.

  • Medidor de vazão ultrassônico – Desenvolvido para a medição de vazão de líquidos limpos em tubulações fechadas sem que ocorra qualquer contato físico entre o medidor e o meio medido. A medição é baseada no princípio de tempo de trânsito: dois transdutores que são acoplados na parede externa do tubo emitem e recebem pulsos de ultrassom. O tempo de trajeto destes pulsos são analisados por um circuito eletrônico microprocessado que efetuará o cálculo da vazão instantânea. A instalação é efetuada de modo fácil e simples, uma vez que dispensa qualquer tipo de serviço na tubulação como seccionamento ou furação. Encontra-se disponível em duas versões: portátil e fixo. Podem ser utilizados em tubulações de diferentes materiais como aço carbono, ferro fundido, aço inox, PE, vidro, entre outros, cobrindo diâmetros de até 5.000 mm. As versões portáteis apresentam bateria recarregável, indicação de vazão instantânea, totalização, velocidade do fluído no interior do tubo e são acompanhadas por uma mala especial, resistente a choques onde o instrumento é acondicionado para transporte. Opcionalmente podem possuir registrador de dados incorporado, com capacidade de até 50.000 leituras, que posteriormente podem ser transferidas para um microcomputador para análise e registro. A calibração e a configuração são efetuadas de modo simples e rápido através de menus intuitivos mostrados no visor. Suas características:

– Medição sem contato físico com o meio;

– A tubulação não necessita de qualquer tipo de serviço;

– Princípio de tempo de trânsito;

– Uso com diferentes tipos de tubos;

– Aplicável em tubulações de até 5.000 mm;

– Versões portátil e fixa;

– Versão portátil com registrador de dados opcional;

– Fácil configuração;

– Totalização de volume.

Pode ser aplicado em: sistemas de osmose reversa, filtração e produção de água pura; líquidos que não possam sofrer qualquer tipo de contato com o meio; tubulações que não possam sofrer qualquer tipo de serviço; comparação com outros medidores já existentes; água, produtos químicos agressivos, produtos farmacêuticos, etc.

  • Medidor de vazão ultrassônico para canais abertos – Utilizado na medição de vazão em canais abertos como calhas do tipo Parshall ou vertedouros. Não possui qualquer parte mecânica em contato com o processo uma vez que seu funcionamento é totalmente baseado na emissão de pulsos de ultra-som por um sensor instalado acima do canal e que são refletidos pelo líquido que está sendo monitorando. A vazão é calculada com base na altura do nível do líquido em um ponto específico do canal; esta altura medida pelo instrumento será utilizado para o cálculo da vazão por meio de fórmulas matemáticas. Apresenta diferentes opções saídas (relês, 4-20 mA a 2 ou 4 fios, RS485 ou Hart), versões para áreas classificadas e versões para montagem remota ou integral. Diversos tipos de canais já se encontram pré-programados na memória do instrumento, bastando portanto que o usuário escolha o canal onde o medidor será montado e introduza determinados valores relacionados aos dimensionais como largura da calha e altura do sensor em relação ao fundo do canal. Entre os diversos tipos de canais estão calhas Parshall e Palmer-Bowlus e vertedouros como degrau, retangular, trapezoidal, triangular ou circular. Caso o canal a ser monitorado não apresente um formato padrão, o instrumento possui a função de linearização de 32 pontos, onde é possível correlacionar diferentes valores de altura do líquido no canal e os respectivos valores de vazão instantânea. Uma vez em operação, o sistema indica continuamente o valor da vazão instantânea e a totalização. Suas características:

– Medição sem contato com o meio medido;

– Montagem integral ou remota (que pode ser em parede ou painel);

– Ângulo de abertura reduzido: 5º (ideal para canais de largura reduzida);

– Compensação de temperatura incorporada e automática;

– Opção de saídas 4-20 mA, relês, Hart ou RS485;

– Funções de alarme e controle através de relês;

– Linearização de 32 pontos;

– 2 totalizadores de volume (permanente e resetável);

– Senha de proteção para evitar o acesso indevido;

– Distância entre sensor e unidade eletrônica : até 300 m (versões remotas).

Pode ser aplicado em: calhas Parshall, Palmer-Bowlus e vertedouros; efluentes e esgotos, em estações de tratamento de efluentes; água bruta em estações de tratamento de água; sistemas de irrigação.

  • Controle de bateladas – É composto por um sensor de vazão e uma unidade eletrônica controladora que monitora o volume e o fluxo para a execução do processo de lote (batelada). O sensor pode ser do tipo rotor magnético, turbina (baixas vazões), vortex ou eletromagnético. O controlador apresenta dois displays: um analógico, onde é mostrado o andamento da batelada (em %) e outro digital, utilizado para a indicação do volume de cada lote, da vazão instantânea, totalização e também para a programação do instrumento. O volume da cada batelada pode ser modificado pelo usuário de modo simples e rápido através do display digital e das teclas no painel frontal. Dois modos de controle do lote (simples ou avançado) podem ser selecionados, permitindo escolher aquele que melhor se adapta ao processo em questão. Possui saída analógica de 4-20 mA que pode ser ligada a uma válvula atuada (efetuando um controle proporcional da abertura) e duas saídas relês para alarmes ou controle (válvulas solenóides, por exemplo). Suas características:

– Visor analógico com indicação % do lote;

– :Visor digital para indicação do volume, totalização e programação;

– Sistema de fácil configuração (menus e teclas);

– Volume do lote modificável pelo usuário de modo simples e rápido;

– Sistema de autocalibração;

– Diferentes opções de sensores de vazão;

– Saídas de 4-20 mA, por relês e pulsos;

– Pode ser usado em tubulações de 0,5 a 40”;

– Controle de válvulas atuadas 4-20 mA;

– Controle de válvulas em 2 estágios (bypass);

– Dois totalizadores;

– Memória não volátil.

Pode ser aplicado em: processos de batelada em geral; processos de engarrafamento; dosagem química; adição de produtos químicos.

  • Chave de fluxo tipo palheta – Tem a função de detectar se uma tubulação apresenta ou não fluxo em seu interior ou ainda acusar se houve aumento ou queda da vazão em relação a um valor pré-estabelecido. É portanto utilizado como um elemento de proteção e segurança complementar. A chave é composta basicamente por um invólucro (onde está o contato elétrico e o sistema mecânico de acionamento), uma pequena haste e uma palheta de metal. Esta palheta tem a função de detectar a presença de fluxo no interior do tubo ao se opor ao seu movimento, provocando a atuação do contato seco. Uma mola localizada no interior do invólucro e conectada à haste faz com que a palheta retorne à posição original na ausência de fluxo. O interior do invólucro está totalmente isolado da parte em contato com o meio (palheta). Apresenta diferentes tamanhos de palheta além de não necessitar de alimentação elétrica para sua operação. Suas principais características:

– Fácil instalação e execução de ajuste;

– Não necessita de alimentação elétrica;

– Saída por contato seco;

– Diferentes tamanhos de palheta.

Pode ser aplicado em: proteção de bombas; controle de compressores; alarme de ausência/presença de fluxo; alarme de aumento ou diminuição da vazão; água e outros líquidos de viscosidades similares.

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