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Medição de vazão

02/10/2010 Marco Antonio Ribeiro 1

Marco Antônio Ribeiro

� É a relação entre o volume ou massa que passa por determinado ponto, por tempo

� Derivada: do volume dividido pelo tempo ou da massa dividida pelo tempo

Vazão: conceito e características

da massa dividida pelo tempo

� Pervariável: para ser medida, tem que passar pelo medidor

� Quantidade: é extensiva

� Unidade SI: metro cúbico por segundo (m3/s)

� Aplicações:� Medição fiscal ou transferência de custódia

� Medição de apropriação de produção

� Medição operacional

� Unidades: m3/s ou kg/s

� Símbolos associados: � FG FI FR FIC FFC (FrC)

� FQ FIQ FSL FSH FSLL FSHH

� Vazão é variável de quantidade, por excelência

� Vazão é relativamente difícil de medir

� Vazão é fácil de controlar, pois é rápida

Há muita novidade ou evolução na medição de

� Há muita novidade ou evolução na medição de vazão, que possui a maior variedade de sensores e métodos

� Medidor da moda: ultra-sônico; já foi Coriolis

Medidores são colocados nas tubulações para medir a vazão em linhaAs instalações destes medidores devem ser aprovadas pela ANP

Medidores de vazão

aprovadas pela ANPTodos os medidores devem operar em faixas determinadas com precisões estabelecidasTodos os medidores devem ser calibrados periodicamente

� Estação de medição (EMED) é uma facilidade projetada e construída especificamente para medir (totalizar) a vazão de fluidosResponsabilidade do Vendedor

Estação de Medição - EMED

� Responsabilidade do Vendedor� Pode estar no limite de bateria do Comprador� Deve ser aprovada por� Contrato particular entre Vendedor e Comprador� ANP

FQIAIAFQIA

17 Di 13 Di 4,5 Di 1,5 Di

Tramo de medição

Elemento sensor e transmissor

� Volumétrico ou mássico� Intrusivo ou não intrusivo� Energia extrativa ou aditiva� Linear ou não linear

Tipos de medidores de Vazão

� Linear ou não linear� Constante K ou sem constante K� Vazão instantânea ou acumulada� Diâmetro total ou parcial (inserção)

� Custo de propriedade (incluir calibração)� Fluido medido� Desempenho requerido (precisão, rangeabilidade)Perda de carga permissível

Critérios de seleção do medidor

� Perda de carga permissível� Função necessária (FI, FR, FQ, FIQ, FG)� Instalação� Suporte de norma internacional � Tecnologia empregada

� Pressão diferencial (∆p)� Placa, tubo venturi, pitot, Annubar, bocal

� Turbina medidora� Mecânica, convencional, inserção, tangencial

� Magnético� Tensão senoidal e corrente contínua pulsada

Medidores favoritos de vazão

� Tensão senoidal e corrente contínua pulsada� Deslocamento positivo� Engrenagens, pistão, disco nutante

� Ultra-sônico� Doppler, tempo de trânsito, multifeixe

� Mássico� Coriolis� Termal

� Medição de óleo� Deslocamento positivo� Turbina mecânica� Coriolis� Qualquer outro aprovado (e.g., Ultra-sônico)

Medidores aceitos pela ANP

� Qualquer outro aprovado (e.g., Ultra-sônico)� Medição de gás� Placa de orifício (IEC 5167 e AGA 3)� Ultra-sônico (IEC 12 075 e AGA 9)� Turbina convencional (IEC 9951 e AGA 7)� Qualquer outro aprovado (e.g., Coriolis)

Exigências de medição da ANP

1. Qualidade dos sistemas de medição quanto ao projeto, instalação, operação e testes;

2. Aprovação da ANP para os pontos de medição;3. Aprovação do INMETRO para sistemas de

calibração;

calibração;4. Inspeções periódicas da ANP;5. Define limites de incerteza: para medição fiscal

de óleo em ±0,3% e de gás em ±1,5%.6. Proíbe produção sem medição.

�Sensores e transmissores de vazão (óleo e gás)

�Transmissores de pressão

�Sensores e transmissores de temperatura

�Computadores de vazão para compensação da pressão e temperatura

Sistemas típicos de medição

�Computadores de vazão para compensação da pressão e temperatura

�Sistema digital de comunicação

�Uma estação de operação para gerenciamento da medição e interface com operadores

�Integração com o sistema de operação existente

Placa de orifício

� Elemento sensor de vazão (FE), que gera um ∆p proporcional ao quadrado da vazão volumétrica instantânea� Usado para líquidos, gases e vapor d’águaAceito legalmente para custódia (ISO 5167,

� Aceito legalmente para custódia (ISO 5167, AGA 3)� Precisão do sistema:� ±0,5 a ±5% do fundo de escala (f.s.) � Típica de ±2% do f.s.

Operação da placa de orifício

Sistema de medição com placa

� Placa de orifício (elemento sensor)� Transmissor ou elemento de ∆p (diafragma)� Acessórios: � Tomadas de impulso

� Tomadas de impulso� Manifold (distribuidor com 3 ou 5 válvulas)� Porta placa

� Instrumento mostrador ou receptor:� Indicador FI� Registrador FR� Totalizador FQ)

Sistema completo (TR 9464)

Sistema com placa de orifício

Placa de orifício

� Instalação� Dimensionamento� Geometria� Identificação

� Identificação� Calibração� Remoção� Tomadas de impulso� Aplicação

Gás limpo, sem condensado, horizontal

Tomadas na vertical,

transmissor acima

da tubulação

Dimensionamento da placa

� Arbitra-se ∆p e calcula-se β (Petrobras)� Faz-se a placa (β) e calcula-se o ∆P (Shell)� Dados para dimensionamento� Vazão máximaDensidade

� Densidade� Viscosidade� Pressão estática � Temperatura

� Software: ISA Kenonic ou planilha de Josaphat e Carrascosa (ISO 5167 ou AGA 3)

Geometria da placa de orifício

Instalação da placa

� Fixada entre flanges ou dentro de porta-placa� Tomadas de alta (H) e baixa (L) pressão� Trechos retos a montante e jusante� Tipos de tomadas de impulso:

� Tipos de tomadas de impulso:� Canto (0, 0)� Flange (1, 1)� Tubo (2,5 – 8)� Raio (1/2 – 2,5)� Vena contracta

Placa entre flanges

� Mais usada� Coberta pelas normas ISO 5167 e AGA 3� Não fragiliza a tubulação

Montagem entre flanges

Tomadas de impulso

Tomadas de P, ∆P e T

Instalação da placa de orifício

� Dispositivo mecânico utilizado para alojar a placa de orifício, permitindo a retirada e colocação da placa, sem interrupção da operação e sem provocar vazamentos

Porta placa

operação e sem provocar vazamentos� Operador deve saber sua operação correta e segura� Terminologia: chamada também de válvula Daniels ou Pecos

Montagem em porta-placa

Placa de orifício

Placa para porta-placa (disco)

Porta placas

Operação no porta placas

Opção de porta placa: bypass

� Placa precisa ser calibrada periodicamente� Período depende do tipo de medição:� Fiscal� Apropriação de produçãoCalibração da placa ou inspeção consiste de:

Calibração da placa de orifício

� Calibração da placa ou inspeção consiste de:� Verificar dimensões� Verificar acabamento, principalmente a montante� Verificar planicidade

� ANP exige também inspeção do trecho de medição (tubulação)

Inspeção da placa de orifício

Dimensões Rugosidade

Inspeção do trecho de medição

� A placa de orifício deve ser identificada� Identificação deve ser gravada a montante, na extensão da placa

Marcação da placa

� Quando disco (sem extensão), deve ser gravada em serigrafia (sem alto ou baixo relevo) a jusante, na parte mais externa do círculo, onde a placa é presa pela borracha

Marcação da placa

Perda de carga na placa

� A placa de orifício provoca uma queda de pressão, há uma recuperação e produz uma perda de carga permanente P

uma perda de carga permanente Pp

Pp = ∆p (1 - β2)� β = 0,75, Perda = 44% ∆p� β = 0,20, Perda = 96% ∆p

ISO 5167 (1980, 1991 e 2004)

� ISO 5167-2 (01 MAR 2003): Measurement of

fluid flow by means of pressure differential

devices – Parte 2: Orifice plates, ...

� Especifica geometria e método de uso (instalação e condições de de operação) da

(instalação e condições de de operação) da placa de orifício, bocais e tubo Venturi

� Dá informação para calcular a vazão e a incerteza associada

� Traduzida por Marco Antonio Ribeiro

ISO 5167 (2003)

� Parte 1 – Princípios gerais e exigências (2ª. Ed)

� Parte 2 – Placas de orifício (1ª. Ed.)

� Parte 3 – Bocais e bocais Venturi (1ª. Ed.)

� Parte 4 – Tubos Venturi (1ª. Ed.)

� ISO 5168 (2005) – Medicao de vazão de fluido –Procedimentos para avaliação de incertezas.

� TR 9464 (1998) – Recomendações para o uso da norma ISO 5167-1: (1991)

Aplicações da ISO 5167 (2003)

� Elemento primário: placa� ISO 2186 (1973) para conexões da pressão

� Fluido com vazão sub-sônica

� Vazão em regime

� Vazão em regime� ISO 3313 (1974) se aplica à vazão pulsada

� Fluido monofásico

� Diâmetros de tubo: 50 a 1 200 mm

� Número de Reynolds: maiores que 5 000

� Tomadas de pressão específicas:� Raio (D e D/2)

� Flange (1, 1)

Aplicações da ISO 5167 (2003)

� Flange (1, 1)

� Não se aplica à tomada de vena contracta

� Limites de β: � Gás: 0,20 a 0,75

� Líquido: 0,20 a 0,80

� Tabela estabelece tamanho do trecho reto (em D) a montante e jusante da placa para incerteza adicional zeroTipo de conexão que provoca o distúrbio

Trechos retos da ISO 5167

� Tipo de conexão que provoca o distúrbio� Valor do β� Classe de incerteza: ±0,5% v.m.� Metade do trecho reto recomendado: adicional de

±0,5% na incerteza

Trechos retos da ISO 5167 (sem)

Trechos retos da ISO 5167 (com)

ISO 5167 (1991)

Trechos retos da AGA 3 (sem)

Trechos retos da AGA 3 (com-a)

Trechos retos da AGA 3 (com-b)

� Condicionadores de vazão� Tipos� Instalação

Exigências de instalação

Considerações da ISO 5167

� Exigências de instalação� Circularidade do tubo� Fixação e gaxetas

� Descrição� Formato� Acabamentos das superfícies� EspessurasChanfros e ângulos

Placa de orifício da ISO 5167

� Chanfros e ângulos� Materiais� Diâmetro do furo

� Tomadas de pressão� Coeficientes e incertezas da placa

� Relatório Técnico ISO/TR 9464 (1998) que orienta como usar a ISO 5167-1 (1991)� Faz referências a cláusulas específicas, dando detalhes e interpretação das exigências� Dá informação adicional de modo geral

Uso da ISO 5167: TR 9464

� Dá informação adicional de modo geral� Nem a ISO 5167 nem TR 9464 fornece teoria e fundamentos� Literatura sugerida:� Miller, R.W., Flow Measurement Engineering Handbook, 3a ed., 1996� Spitzer, D.W., Flow Measurement, 1996

Comparação das normasISO 5167

(1981)ISO 5167

(1991)ISO 5167

(2003)

Equação Stolz Reader-Harris Gallagher

Reader-Harris Gallagher

Tomadas de ∆P

Flange, Canto, Raio

Canto, Raio e Flange

∆P Canto, Raio Canto, Raio Flange

Diâmetro 50 a 1 000 mm

50 a 1 200 mm

50 a 1 000 mm

Beta (β) 0,20 a 0,75 0,20 a 0,80 0,20 a 0,75

Reynolds mínimo

1 260 β2 D 3 150 5 000

Incerteza ± 0,6% v.m. ± 0,6% v.m. ±0,5% v.m.

Comparação das normas

ISO 5167 (2003)

(2000)

Equação Reader-Harris Gallagher

Reader-Harris Gallagher

Tomadas de Flange, Flange

Tomadas de ∆P

Flange, Canto, Raio

Flange

Diâmetro até 1 000 mm 36”

Beta (β) 0,10 a 0,75 0,20 a 0,75

Reynolds mínimo

5 000 4 000

Incerteza ±0,5% v.m. ±0,5% v.m.

Precisão da placa de orifício

� Repetitividade (precisão) do sistema:� ±0,6 a 5% do fundo de escala (f.s.) � Típica de ±1 % do f.s.

� Incerteza da medição depende de:Tomadas de pressão

� Tomadas de pressão� Trechos retos a montante e jusante� Umidade do gás� Ruídos e pulsação da vazão� Status da placa� Calibração do transmissor associado

Precisão (ruim) da placa de orifício

� Perto de ±5%� Não usar tubo medidor de vazão (meter run)� Transmissor analógico� Calibração rara do transmissorInspeção rara da placa

� Inspeção rara da placa � Dimensionamento manual� Pequenos trechos retos a montante e jusante� Tomadas de pressão incorretas� Operar próximo da vazão mínima� Manipular fluido mal comportado

Precisão (ruim) da placa de orifício

� Perto de ±1,0%� Tubo medidor de vazão (meter run)� Transmissor microprocessado� Calibração freqüente do transmissorInspeção freqüente da placa

Precisão (boa) da placa de orifício

� Inspeção freqüente da placa � Dimensionamento segundo ISO 5167� Grandes trechos retos a montante e jusante� Tomadas de pressão corretas� Operar próximo da vazão máxima� Manipular fluido bem comportado

Precisão (boa) da placa de orifício

Instrumentos associados

� Placa isolada é um FO (orifício de vazão), utilizado para limitar pressão ou vazão

� Associada a Elemento Secundário� Transmissor d/p cell

Diafragma (célula Barton)

� Diafragma (célula Barton)

� Funções:� Indicação (raro)� Registro (registro usado para totalização)� Totalização (mais freqüente)� Compensação de P e T para gases e líquidos

Sensor da pressão diferencial

� Placa gera uma pressão diferencial� Elemento secundário sente a ∆p� Transmissor de pressão diferencial (d/p cell)� Diafragma ou câmara Barton

� Instalação do transmissor d/p cell

� Instalação do transmissor d/p cell� Líquido� Gás� Sujeiras, condensado

Transmissor d/p cell e multivariável

Diafragma ou Câmara Barton

Dispositivo de detecção da pressão diferencial gerada pela placa ou outro sensor a ∆p

� Tubo medidor é um trecho de tubulação construído com � Melhor acabamento � Material mais nobreGeometria mais definida

Acessório: tubo medidor

� Geometria mais definida� Objetivos: � Melhorar a precisão da medição� Facilitar a inspeção posterior

� Terminologia: tubo medidor, meter run, tubo de vazão

Meter run para placa

Condicionador e retificador� Condicionador é um dispositivo auxiliar para desenvolver plenamente perfil de velocidade e eliminar perturbações � Retificador é um dispositivo auxiliar para eliminar perturbações

eliminar perturbações � Aplicados quando não se tem trechos retos suficientes� Vazão contínua turbulenta (Re > 104)� Custa caro� Produz perda de carga adicional

Condicionador de vazão

Retificador de vazão

Sem retificador e sem condicionador : distorção do perfil e vórtices

Condicionador e retificador

Função do retificador : remoção de redemoinho e vórtice

Função do condicionador : remoção de vórtice e geração de perfil

Vantagens e desvantagens

� Vantagens do sistema com placa:� Facilidade de calibração (calibração de ∆p)� Facilidade e simplicidade de construção� Grande disponibilidade de materiais de construção

� Grande disponibilidade de materiais de construção� Sistema suportado por ISO 5167 e AGA 3� Desvantagens:� Pequena rangeabilidade (3:1), por ser SQ RT� Grande perda de carga permanente

� Além da placa de orifício, a mais usada, há outros geradores de DP alternativos:� Tubo Venturi� Tubo Pitot Bocal

Outros geradores de ∆P

� Bocal� Lo-loss� Annubar ®� V-Cone ®

� Geralmente são mais caros e proprietários� Produzem menor perda de carga permanente

Outros geradores de ∆P

� Tubo Venturi é um sensor de vazão que gera uma pressão diferencial proporcional ao quadrado da vazão volumétrica, como a placa� Possui geometria mais suave� Possui maior coeficiente de descarga (0,9)

Tubo Venturi

� Possui maior coeficiente de descarga (0,9)� Recupera mais a pressão� Pode possuir várias geometrias

Tubo Venturi

� Tubo Pitot é um sensor de vazão que gera uma pressão diferencial proporcional ao quadrado da vazão volumétrica, como a placa� Usado para medição portátil da vazão

Tubo Pitot

� VCone é um sensor de vazão que gera uma pressão diferencial proporcional ao quadrado da vazão volumétrica, como a placa� Sensor proprietário: McCormack ®

� Lo-loss é um sensor de vazão que gera uma pressão diferencial proporcional ao quadrado da vazão volumétrica, como a placa, porém com menor perda de carga permanente

Lo-loss

� Annubar é um sensor de vazão que gera uma pressão diferencial proporcional ao quadrado da vazão volumétrica, como o tubo pitot� Sensor proprietário: Heindrich ®

Annubar

Turbina medidora de vazão

� Desenvolvida por Reinhard Woltman.� Princípio: rotor é acionado pela vazão e um detector da sua velocidade angular gera uma freqüência linearmente proporcional à vazão

freqüência linearmente proporcional à vazão� Partes constituintes� Corpo - materiais e conexões� Rotor - número de palhetas� Mancais – tipo do fluido � Detector – determina o tipo da turbina

� A detecção da velocidade angular e sua conversão para pulsos determina o tipo � Mecânica� Eletromagnético Rádio freqüência

� Rádio freqüência� A geometria do rotor depende do fluido� Gases� Líquidos lubrificantes� Líquidos não-lubrificantes

Turbina mecânica

� Turbina mecânica converte diretamente a velocidade angular do rotor em pulso mecânico que é totalizado � Não requer alimentação externa

� Não requer alimentação externa� Robusta, podendo manipular fluidos mal comportado (óleo cru)� Precisão de média para boa

Turbina mecânica

Turbina convencional

� Turbina convencional converte a velocidade angular do rotor em pulso elétrico através de detector eletro-magnético ou circuito LC.

� Requer alimentação externa.

� Frágil, só manipula fluidos limpos.

� Precisão de boa para excelente.

� Aceita pela ANP para medição de gás.

� Usada como padrão de calibração.

Fator K da turbina

� Todos os medidores de vazão, exceto a placa de orifício, possuem um fator K que relaciona a saída do medidor com a vazão de entrada.� O fator K da turbina relaciona a freqüência

� O fator K da turbina relaciona a freqüência de saída com a vazão.� Este fator deve ser rastreado ao longo da vida útil do medidor, que consiste na sua calibração.

Fator k da turbina de vazão

Instalação da turbina de vazão

� Como todo medidor de vazão volumétrica, a turbina deve ser instalada conforme normas, tendo que obedecer distâncias mínimas de trecho reto, antes e depois dela.Normas que tratam da turbina de vazão:

� Normas que tratam da turbina de vazão:� ISO IEC 9951� AGA Nr. 7

� Na ausência da norma, devem ser seguidas as orientações do fabricante.

Instalação da turbina de vazão

� Vantagens:� Altíssima precisão e é o medidor master padrão� Saída de pulsos conveniente para totalização� Repetitividade expressa em % do valor medido

� Repetitividade expressa em % do valor medido� Suportado por norma ISO 9951 e AGA 7

� Desvantagens:� Grande perda de carga permanente� Algumas geometrias são frágeis e sensíveis� Possui peças móveis� Medição susceptível à viscosidade e vibração

� Filtro é usado a montante do elemento sensor para reter sujeira em suspensão� Provoca perda de carga adicional

Acessórios de vazão: filtro

� Requer limpeza periódica� Provoca perturbação e por isso deve ser montado à distância conveniente

Turbina medidora e filtro

Filtros

Turbinas

Medidor a deslocamento positivo

Medidor de vazão a deslocamento positivo é um totalizador natural de vazão: mostra volume acumulado durante determinado período

Operação do medidor DP:Separa o líquido em volumes conhecidos

Separa o líquido em volumes conhecidosTransporta os volumes da entrada para a saídaConta os volume e os totaliza

O volume total é calculado pelo número de quantidades conhecidas que passaram no intervalo de tempo considerado

� Medidor a DP é um medidor intrusivo, com energia extrativa, linear, com saída totalizada, com fator k, indicador de volume ou totalizador da vazão volumétrica

� Tipos do sensor: � Engrenagens ovais� Lâmina rotatória � Pistão � Disco nutante

� O movimento de duas engrenagens ovais particiona, separa e desloca volumes conhecidos da entrada para a saída do medidor.

� Geralmente o totalizador é acoplado mecanicamente ao movimentos das engrenagens.� Opcionalmente, pode-se gerar pulsos elétricos.

DP com engrenagens ovais

Medidor DP com engrenagens

FM40MP__

Pulsos TotalizadorPré-Determinador

Ind. de Vazão

4 - 20 mA

Fonte c/

MetrobatchTot. / Pré-Det./Ind. de Vazão

Pulsos 4 - 20 mA

AG19 ou

Fonte c/Barreira

MetrobatchTot. / Pré-Det./Ind. de Vazão

Pulsos 4 - 20 mA

Fonte c/Barreira

MetrofluxTot. /Ind. de Vazão

Pulsos 4 - 20 mA

� Lâminas tensionadas por molas, que selam o líquido entre o rotor e a caixa, transportam fluido da entrada para saída

Medidor DP com lâminas rotativas

fluido da entrada para saída� Mede produtos de petróleo (gasolina, diesel, querosene)� Precisão: 0,05 a 0,1% do V.M.� Operam até 7 MPa (1000 psi) e 180 oC

Medidor DP com lâminas rotativas

� Parte móvel consiste de cilindro que oscila em torno de uma ponte que separa a entrada da saída fazendo girar um pino Rotação do

Medidor DP com pistão oscilatório

da saída fazendo girar um pino Rotação do pino é transmitida a sistema de engrenagens e totaliza a vazão � Mede água residencial� Precisão: ±1% F.E.

Medidor DP com pistão oscilatório

� Movimento reciprocante do pistão faz um volume fixo passar da entrada para saída � Haste atuada pelo movimento do pistão aciona o mecanismo de totalização

Medidor DP com pistão reciprocante

aciona o mecanismo de totalização� Disponível em pistão de dupla ação, válvula rotatória, válvula deslizante � Precisão: ±0,2% F.E.� Mede produtos do petróleo

Medidor DP com pistão reciprocante

DP com disco nutante

� Medidor linear, com boa repetitividade e precisão (0,05 a 0,1% do valor medido).� Boa rangeabilidade, mínima de 10:1� Sua precisão melhora com o aumento da viscosidade do fluído medido, contrário da

Medidor a DP - Características

viscosidade do fluído medido, contrário da maioria dos medidores volumétricos.� Tamanhos variando de ½ a 12” de diâmetro.� Aceito para medição fiscal de óleo pela ANP.� Opera com pressão até 7 MPA (1000 psig) e a viscosidade entre 1 a 25 000 centipoise.

� Robusto: manipula fluidos sujos� Não requer trecho reto a montante, porque é um indicador de volume e não se baseia na velocidade do fluidoTotalizador natural de vazão (FQ)

Medidor a DP - Vantagens

� Totalizador natural de vazão (FQ)� Bom desempenho (linear)� Não requer alimentação externa� Sua calibração depende apenas do volume e por isso é estática e mais fácil que a de um medidor de vazão volumétrica

� Possui peças móveis que se desgastam e apresentam folga � Requer calibrações mais frequentes, por ter peças móveis

Medidor a DP - Desvantagens

ter peças móveis� Falha pode bloquear vazão� Pode apresentar grande volume e peso� Grande perda de carga

Medidor Mássico Coriolis

Medidor de vazão Coriolis

� Coriolis é um medidor não intrusivo, energia aditiva, linear, saída digital ou analógica e fator k de vazão mássica.� Funcionamento:

� Funcionamento: � Vazão passa por um tubo vibrante, � Aparece força de Coriolis inclinando o tubo, � Força é medida e processada como um sinal proporcional à vazão mássica

� Medidor suportado por norma AGA 11.

Gaspar Coriolis notou que todos os corpos em movimento na superfície da terra tendem a ser desviados para o lado por causa da rotação da terra para o leste.

Um corpo viajando no sentido dos pólos, no hemisfério norte, a deflexão é para o lado

Medidor de vazão tipo Coriolis

hemisfério norte, a deflexão é para o lado direito e no sul, para o lado esquerdo.

Esta deflexão toma papel principal nos 1. Movimentos das marés dos oceanos, 2. Meteorologia do planeta, 3. Erosão das margens dos rios e 4. Sentido circular dos redemoinhos.

� Objeto se movendo em um sistema de coordenadas que gira com uma velocidade angular, desenvolve uma força de Coriolis proporcional a Sua massa

Medidor industrial Coriolis

� Sua massa � Velocidade linear do objeto � Velocidade angular do sistema

� Esta força é perpendicular à velocidade linear do objeto e à velocidade angular do sistema de coordenadas

M = Vazão Mássica A = Amplitude da oscilação coriolis

Equação de Vazão:

Efeito Coriolis – princípio de operação

Ac = Amplitude da oscilação coriolis Ae = Amplitude da oscilação de excitaçãoSk = Constante do Sensor (constante de calibração)

= Sk(20°C) [1+Skt x (T-20°C)] correção de temperaturaSk(20°C) = Constante do Sensor à 20°Cfv = Freqüência de excitaçãoSkt = Coeficiente de correção de temperatura (constante

do material)

v velocidade do fluidow velocidade angular

Efeito Coriolis

O escoamento de um fluido em um tubo elásticoque gira, causa uma deflexão no tubo

v velocidade do fluidow velocidade angular

deflexão

V velocidadedo fluido

Parede A

caminho B

W velocidadeangular

Efeito Coriolis

A massa M, movendo-se do centro para a extremidade de um disco que gira com uma velocidade angular W, com uma velocidade V, toma o caminho B

Se a massa M é guiada pela parede A, uma Força de Coriolis Fc será exercida na parede.

A massa M, movendo-se do centro para a extremidade de um disco que gira com uma velocidade angular W, com uma velocidade V, toma o caminho B

Se a massa M é guiada pela parede A, uma Força de Coriolis Fc será exercida na parede.

Força de Coriolis: Fc = - 2 M V W

Efeito Coriolis

Sem Fluxo:

Vibração Paralela

Vazão Mássica:

Efeito Coriolis

Operação do medidor Coriolis

Tubo de vazão vibrante

Tubo de vazão vibrante Forças do fluido reagem à vibração do tubo de vazão

Extremidades do tubo de vazão mostrando a inclinação

Componentes do Medidor Coriolis

� Sensor: (um ou dois) tubos U� Bobina de excitação para fazer tubo vibrar� Bobina detectora da força de Coriolis� Sensor de temperatura do tubo medidor

� Sensor de temperatura do tubo medidor� Circuito eletrônico para gerar saída: � 4 a 20 mA � Pulsos � Protocolo digital

A medida da força de Coriolis exercida pelo fluido durante o escoamento em um tubo girando pode fornecer a uma indicação da vazão mássica.

Um tubo rodando não é uma maneira prática

Um tubo rodando não é uma maneira prática para a construção de medidor de vazão industrial, mas a oscilação ou vibração de um pode ser usada para se obter o mesmo efeito.

Na maioria dos projetos, o tubo é ancorado em dois pontos e vibrado entre estes dois pontos ancorados.

Esta configuração pode ser vista como a vibração de um conjunto mola e massa.

Quando posto em movimento, um conjunto de

Quando posto em movimento, um conjunto de mola e massa vibrará em sua freqüência ressonante, que é função da massa do conjunto.

Esta freqüência ressonante é escolhida porque uma menor força é necessária para manter o tubo cheio em constante vibração.

Quando não existe escoamento em um dos tubos, a vibração causada pela bobina e magneto acionador resultam em idênticos deslocamentos nos dois pontos sensores B1 e B2.

pontos sensores B1 e B2. Quando o escoamento está presente, a força de Coriolis age produzindo uma vibração secundária resultando em uma pequena diferença de fase nos movimentos relativos, que é detectada nos pontos sensores.

A vibração com vazão zero ou escoamento sem vibração, não produz saída no medidor.

Bobina Acionamento

Bobinas Detecção

Formatos do medidor Coriolis

� Há medidor Coriolis que mede � Simultaneamente densidade e vazão� Apenas a vazão mássica� Apenas a densidade

� Apenas a densidade

� Através da medição da vazão mássica e da pressão diferencial através do medidor Coriolis pode-se medir (inferir) a viscosidade do fluido, em linha

Características do medidor Coriolis

� Precisão: ±0,1 a ±0,5% do V.M.� Rangeabilidade: típica de 25:1� Pressão de 10 MPa (1500 psi) a 130 MPa (20 000 psi)

(20 000 psi)� Temperatura do fluido: -55 a 125 oC (normal) ou -240 a 300 oC (especial)� Temperatura ambiente: -40 a 85 oC� Tamanhos: 1/2” a 6”� Vazões: 10 g/min até 20 000 kg/min

Vantagens do medidor Coriolis

� Mede diretamente vazão mássica e por isso não requer trechos retos a montante e a jusante do medidor� Linear e com bom desempenho metrológico

Precisão

� Precisão � Rangeabilidade � Estabilidade

� Requer períodos de calibrações longos, por não ter peças móveis� Pode medir densidade e viscosidade

Desvantagens do medidor Coriolis

� Grande perda de carga para algumas geometrias� Requer medição da temperatura para compensar a variação do coeficiente de

compensar a variação do coeficiente de elasticidade do tubo metálico� Requer padrão de vazão para sua calibração dinâmica� Disponível em tamanhos reduzidos: < 6”

Medidor ultra-sônico

De um modo geral, os princípios que básicos determinam como a medição de vazão por ultra-som é realizada são Efeito Doppler e

Medidor ultra-sônico de vazão

Efeito Doppler e Tempo de Trânsito.

Cada um destes métodos pode ser intrusivo, inserido na tubulação, ou não intrusivo, externo à tubulação.

O método de tempo de trânsito pode ainda utilizar feixe estreito e feixe largo.

A velocidade com que o som se propaga em um fluido depende da densidade do fluido.

Se a densidade for constante, pode-se usar o tempo para atravessar ou o tempo de

Medidor ultra-sônico de vazão

tempo para atravessar ou o tempo de reflexão do som em um fluido para determinar a velocidade do escoamento.

A velocidade de propagação sônica para a maioria dos líquidos encontra-se na faixa de 800 a 2 000 m/s.

Neste método, é medido o tempo de trânsito do som entre dois transdutores colocados em dois pontos do escoamento.

A diferença entre o tempo a favor e contra o

Medidor ultra-sônico a tempo trânsito

A diferença entre o tempo a favor e contra o sentido do escoamento determina a velocidade do mesmo.

Quando a vazão é zero, o tempo para o sinal se deslocar de A para B é o mesmo necessário para se deslocar de B para A.

Quando existe escoamento, a velocidade é aumentada no sentido do fluxo e diminuída

aumentada no sentido do fluxo e diminuída no sentido contrário.

Como o diferencial de tempo (∆T) é muito pequeno (aproximadamente 2 x 10-9

segundos), o sistema eletrônico deve empregar circuitos de alta velocidade.

Sistema de medição com ultra-som

A velocidade do som no fluido é função tanto da densidade como da temperatura e por isso deve-se ter compensação de ambas D e T.

A mudança na velocidade do som altera o ângulo de refração (a), que faz mudar a

ângulo de refração (a), que faz mudar a distância que o sinal atravessa.

Em alguns casos, o sinal se perde completamente receptor posterior.

No projeto de medidores de múltiplos caminhos, vários conjuntos de transdutores são colocados em diferentes trajetórias através da seção do tubo, permitindo medir o perfil de

Medidor ultra-sônico multifeixe

seção do tubo, permitindo medir o perfil de velocidade em toda a seção do tubo.

Em 1998, a American Gas Association (AGA) publicou o documento AGA-9 aprovando este tipo de medidor para transferência de custódia de gás.

Medidor ultra-sônico multi-feixe

Único medidor aceito legalmente para transferência de custódia é o multifeixe

Em 1842, Christian Doppler descobriu que a frequencia do som percebido por um observador estacionário parece aumentar quando a fonte está se aproximando e

Medidor ultra-sônico com Doppler

quando a fonte está se aproximando e diminuir quando a fonte está se distanciando.

Esta correlação da freqüência com a velocidade é o princípio dos medidores de vazão ultra-sônicos.

Ultra-sônico a efeito Doppler

� Raio ultra-sônico é projetado em um fluido não homogêneo, móvel e alguma energia é refletida

� Sinal recebido tem desvio de freqüência em relação ao sinal transmitido proporcional à vazão volumétrica

A velocidade do fluido V é calculada pela equação:

V = (f0 – f1) Ct / 2f0 cos(a) , onde:

C - velocidade do som no transdutor,

Ct - velocidade do som no transdutor,f0 - freqüência de transmissão,f1 - freqüência de recepção,a – ângulo entre o transmissor e receptor e o eixo do tubo.

Como Ct /2f0 cos(a) é uma constante K, a equação fica:

V = K (f0 – f1).

A presença de descontinuidades acústicas é essencial para a operação adequada do medidor Doppler.

A regra prática geral é que para reflexão adequada do sinal deve haver de 80 a 100

adequada do sinal deve haver de 80 a 100 mg/l de sólidos com partículas maiores do que 75 microns.

No caso de bolhas, 100 a 200 mg/l com diâmetro entre 75 e 150 microns é desejável.

No caso de excesso de partículas ou bolhas poderá haver atenuação muito grande do sinal e a medição se torna difícil frente ao sinal de ruído

Medidor ultra-sônico a efeito Doppler

Normas relacionadas com o medidor ultra-sônico baseado em tempo de trânsito:

�ISO 12 765 – mais didática�AGA report no 9. (medidor multifeixe ou

Medidor ultra-sônico e normas

�AGA report n 9. (medidor multifeixe ou multicanal) – mais prática e influenciada por fabricantes

�Enfoque das normas:�Requisitos de desempenho�Classe de exatidão (0,7% v.m., típico)�Rangeabilidade (1:10, típica)

Para os fabricantes de medidor ultra-sônico o medidor pode ser

�Intrusivo: quando é colocado na tubulação entre flanges, como um carretel�Não-intrusivo: quando o transmissor e receptor são colocado por fora da tubulação

Intrusivo e não intrusivo

são colocado por fora da tubulaçãoMedidor não intrusivo

�Possui incertezas típicas de ±1 a ±5% v.m.�Requer uma instalação preparada e cuidadosa

Medidor intrusivo� Possui incertezas típicas de ±0,1 a ±1% v.m.

Medidor ultra-sônico intrusivo

Medidor ultra-sônico não intrusivo

Medidor ultra-sônico portátil

Medidor de vazão ultra-sônico

� Vantagens� Não provoca perda de carga adicional� Pode ser portátil� Pode ser externo ao tubo

� Pode ser externo ao tubo� Reconhecido para transferência de custódia (ISO 12 765 e AGA 9, somente para multi-feixe)

� Desvantagens� Desempenho limitado (melhorou ultimamente)� Não mede todos os fluidos� O não intrusivo requer preparação de instalação

Medidor Magnético de Vazão

Princípio de funcionamento

� Vazão medida passa através do tubo revestido por material isolante (teflon)� Cria-se um campo eletromagnético por um par de bobinas excitadas por ca ou cc

par de bobinas excitadas por ca ou cc pulsado (lei de Faraday)� Fluido condutor gera uma tensão ca ou cc pulsada proporcional à velocidade e portanto à vazão volumétrica do fluido� Par de eletrodos detecta a tensão gerada

Medidor Magnético de Vazão

E = dvB (1)

Q = πd2v/4 (2)

(1) em (2)

Q = πdE/4B

E = Q. 4B/ πdConstante

E = Q . K

Principio de funcionamento

A tensão de excitação das bobinas pode ser alternada senoidal ou corrente contínua pulsada.

A excitação com tensão contínua torna mais fácil a eliminação de ruídos e os medidores

Medidor magnético de vazão

fácil a eliminação de ruídos e os medidores tornam-se menores, mais baratos e fácil de serem instalados.

A excitação com tensão alternada é mais adequado para fluidos não homogêneos e pulsantes com freqüência menor que 15 Hz.

� Tubo medidor magnético� Bobinas de excitação� Eletrodos � Caixa de ligações elétricasConexões com processo

Sistema de medição

� Conexões com processo

� Transmissor� Cabo coaxial (opcional)

� Bobinas de excitação criam campo magnético � Velocidade do fluido condutor gera f.e.m.� Eletrodos detectam a f.e.m. gerada

Tubo do medidor magnético

� Eletrodos detectam a f.e.m. gerada� Revestimento impede que tensão gerada entre em curto circuito� Flanges são conexões à tubulação � Cabo coaxial interliga tubo ao transmissor

Tubo do medidor magnético

Revestimento e eletrodos

Transmissor associado ao tubo

� Gera sinal proporcional à amplitude da tensão gerada pelo tubo, portanto proporcional à vazão volumétrica Impropriamente chamado de Conversor

� Impropriamente chamado de Conversor� Saída pode ser� Analógica de 4 a 20 mA� Pulsos escalonados� Protocolo digital

Integral

Transmissor associado ao tubo

Remoto

Transmissor e tubo integralizados

Fluido medido

� Fluido precisa ser eletricamente condutor: condutividade mínima de 1 a 5 µS/cm Especiais: 0,05 a 0,1 mS/cm� Medidor não afetado pela temperatura,

� Medidor não afetado pela temperatura, pressão, viscosidade, número Reynolds � Há limite para velocidade do fluido:� 1 m/s para ser detectado � 10 m/s para não provocar erosão

Condutividades típicas

Líquido,@ 25 oC

CondutividadeµµµµS/cm

Ácido acético 250Nitrato amônia 360 000Álcool etílico 0,0013Ácido fórmico 280Glicol 0,3

Glicol 0,3Ácido hidroclórico 400 000Querosene 0,017Sulfato magnésio 26 000Fenol 0,017Ácido fosfórico 50 000Hidróxido sódio 40 000Ácido sulfúrico 8 500Vodka 4Água potável 70

Vantagens do medidor magnético

� Ótimo desempenho� Rangeabilidade alta� Excelente precisão� Altíssima estabilidade

� Manipula fluidos difíceis (corrosivos, sujos)

� Manipula fluidos difíceis (corrosivos, sujos)� Praticamente não produz perda de pressão� Pouca manutenção� Trecho reto reduzido� Trabalho submerso� Independe de densidade ou viscosidade� Pressão alta e baixa

Desvantagens do medidor magnético

� Fluido medido deve ser eletricamente condutor � Não mede produtos de petróleo e gás

� Calibração requer padrão de vazão� Requer alimentação elétrica� É necessário aterrar o fluido

Aplicações do medidor magnético

� Primeira opção para medir fluidos difíceis (corrosão, sujeira) desde que seja eletricamente condutor� Diâmetros variam de 3 a 3000 mm

Diâmetros variam de 3 a 3000 mm� Parâmetros de seleção � Custo de propriedade� Instalação � Fluido medido� Desempenho do medidor

Os medidores de vazão multifásicos ainda se encontram em fase de desenvolvimento tecnológico.

O fluido normalmente produzido por um poço de petróleo é a combinação de óleo, água e

Medidor de vazão multifásico

O fluido normalmente produzido por um poço de petróleo é a combinação de óleo, água e gás, em um escoamento trifásico.

Para se medir um escoamento trifásico são necessários cinco parâmetros:� Velocidade de cada uma as três fases e � Concentração de duas fases.

Tem-se um homogeneizador imediatamente antes do medidor para misturar as três fases, de modo que que elas fiquem com a mesma velocidade.

Três parâmetros devem ser medidos:

velocidade. Três parâmetros devem ser medidos:

a velocidade da mistura,duas das três frações de água (Cw), óleo (Co)

ou gás (Cg).A velocidade da mistura pode ser medida, por

exemplo, por um medidor de vazão eletromagnético

O tubo de vazão do medidor é feito para� Produzir um diferencial de pressão que é usado para a determinação da densidade da mistura,

� Um sinal de capacitância é usado para medir a

� Um sinal de capacitância é usado para medir a quantidade de fluido não condutivo, óleo e gás.

No processo de medição, o mesmo par de eletrodos é usado alternadamente para a determinação da velocidade média e do sinal de capacitância.

Medidor vazão multifásico Roxar

Medidor vazão multifásico Agar

Conclusão final

� Há ainda muitos outros medidores de vazão, que são vistos somente em cursos mais especializados, tais como:� Termal (mássico)

� Termal (mássico)� Vortex� Área variável� V Cone� Canal aberto

Conclusão final

� A medição de vazão é difícil, com grande variedade de métodos de medição, fenômenos mecânicos, elétricos, térmicos, magnéticos, ultra-sonicos, aerodinâmicos, termodinâmicosDeve-se sempre conhecer a norma aplicável ao

� Deve-se sempre conhecer a norma aplicável ao tipo de medidor que se quer utilizar� Todo medidor possui vantagens e desvantagens � Cada aplicação deve ser analisada � Toda medição possui uma incerteza associada

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