O termo medidores mecânicos é adoptado para descrever em que existe um mecanismo no seio do caudal de fluido, que se move continuadamente á passagem do fluido e cuja velocidade do mesmo movimento é proporcional á velocidade do fluido que está a ser medido.

Referindo o principio de operação destes medidores eles são também frequentemente designados por medidores de quantidade. Para a medição industrial de fluxos de água através de condutas fechadas, a medição através de medidores mecânicos foi a primeira a ser desenvolvida, antecipando-se a outros tipos de medidores comerciais em uma série de décadas. O primeiro medidor deste tipo a aparecer no mercado data de 1850, no entanto a patente dos mesmos foi tirada em 1825.

A aparente simplicidade de medir fluxos de fluido duma forma pouco dispendiosa, colocando um elemento móvel no seio do fluido, conduziu a um largo número de patentes (só em Ingalterra 989 até ao final de 1890) no entanto alguns nunca deram frutos, mas outros tornaram-se grandes sucessos comerciais. Enquanto o princípio de funcionamento dos medidores mecânicos é bastante elementar, a barreira para o sucesso dos mesmos, em muitos casos é uma barreira mecânica e metalúrgica, induzindo uma dificuldade económica na selecção dos materiais, levando a uma infinidade de combinações.

Em geral o desenvolvimento que tem tido lugar no design e fabricação destes medidores tem sido baseado em tentativas e erro, tal como em resultados da experiência prática de investigadores individuais. O principal objectivo desta pesquisa é obter uma maior exactidão e amplitude, tal como reduzir custos e efeitos de corrosão entre outros.

O principal objectivo dos medidores mecânicos é dar valores para pequenos fluxos de fluido, de uma forma relativmente exacta a baixos custos, e com custos tambem baixos para a instalação e manutenção dos mesmos. No entanto com o crescimento do uso de processos de controlo industriais estas formas de medidores estas formas de medidores são agora apenas utilizadas para estas aplicações; o elemento de medição do instrumento, isto é, o contador de porção tem sido adaptado com o apropriado gerador

eléctrico. Deste modo os medidores mecânicos apenas funcionam como transmissores da quantidade de fluido medida para uma mesa ou para um painel de controlo.

Em certos aspectos os medidores mecânicos excedem em muito outros tipos de medidores, principalmente quando estão envolvidos fluidos preciosos como petroleo, são tambem muito utilizados para medir combustiveis nos tanques de automóveis e aviões, assim como para medir o combustivel consumido durante um voo. Deve-se notar que os medidores excepto em um ou dois casos, apenas podem ser utilizados para medir liquidos, pois para medirem gases requerem algumas modificações.

Em todos os medidores inferenciais, o elemento móvel é o rotor, e o princípio de funcionamento básico é a existência de uma relação linear entre a velocidade do rotor e o caudal. A força que actua sobre o rotor é a força motriz. Em sentido contrário actuam as forças de amortecimento, as forças de viscosidade e, a fricção mecânica. As forças de amortecimento é proporcional ao quadrado da velocidade do caudal em relação às pás do rotor, isto para um fluido com a densidade constante. A força de amortecimento é proporcional ao quadrado de N, onde N representa a velocidade de rotação do rotor. A força devido à viscosidade é proporcional ao quadrado de V enquanto que a fricção mecânica é constante.

Se as forças de viscosidade e as forças de amortecimento forem muito grandes, em relação à fricção mecânica, a velocidade do rotor, N, será directamente proporcional à velocidade do caudal, V, em resultado disto, poderá então ser medido o caudal. Teremos, então, de ter uma fricção mecânica muito pequena. Consequentemente, se a constante da fricção mecânica reduz a velocidade de rotação do rotor em 0.05% no caudal máximo, a potência será reduzida em 5%, a 1/10 do caudal máximo. A velocidades reduzidas, o caudal tende a ser laminar, consequentement, as forças viscosas serão menores do que as obtidas em regime turbulento. Podemos então dizer que à medida que a velocidade aumenta, atinge-se uma zona de transição entre o regime laminar e turbulento, em que a velocidade do rotor aumenta em relação à velocidade do caudal. À medida que a velocidade do caudal continua a ser reduzida, o efeito das forças de fricção mecânica tornam-se predominantes, e a velocidade do rotor diminui em relação à velocidade do caudal.

Rotor de Pás (Único ou Múltiplo)

Neste tipo de medidor, o elemento móvel toma a forma de um rotor com várias pás montadas no eixo vertical e incorporadas num cilindro. Quando o medidor é de apenas um jacto, o líquido é injectado

para dentro da câmara tangencialmente, saindo diametralmente. Em consequencia, a velocidade de rotação é determinada pela velocidade do líquido e pelas dimensões do rotor.

Os medidores de jactos múltiplos apresentam em geral as mesmas características dos medidores com um jacto apenas, no entanto neste caso, o líquido entra tangencialmente por vários orifícios, e sai novamente tangencialmente, mas num ponto mais alto da câmara. Desta maneira são aumentadas as forças de amortecimento.

Turbina

Uma turbina consiste de um rotor com rolamento e eixo encaixados. O fluido cujo caudal se pretende medir provoca a rotação do rotor; a velocidade rotacional do rotor é proporcional à velocidade de escoamento do fluido. Para medir o caudal existe um dispositivo que mede a velocidade de rotação do rotor.

O sensor pode ser um eixo com transmissão por engrenagens para um medidor ou sensor electrónico que detecta a passagem de cada pá do rotor gerando um impulso. A velocidade de rotação do eixo do sensor e a frequência dos impulsos são proporcionais ao caudal volumétrico através do medidor.

A figura mostra um diagrama de vectores com as forças envolvidas. O vector V tem uma velocidade axial v e não tem velocidade na componente tangencial (ou radial). A falta da componente tangencial da velocidade é um elemento importante no sistema. A pá do rotor está orientada com um ângulo a de incidência em relação ao fluido. O momento do fluido transmite uma velocidade rotacional ao rotor, fazendo com que o fluido mude de direcção e parta do rotor em turbilhão sem direcção definida. A velocidade de rotação é quase directamente proporcional à velocidade ou ao caudal do fluido através do medidor.

Embora as pás de um medidor turbina trabalhem de um modo semelhante à de uma turbina normal, existem algumas diferenças significativas. Uma pá de uma turbina padrão é projectada para realizar trabalhar rodando um eixo do qual se extrai a maior parte da energia do sistema. É, por isso, necessário projectar a pá mais eficiente possível. O rotor de uma turbina normal de produção de energia é normalmente projectado para trabalhar a uma velocidade específica ou numa gama limitada de velocidades. Raramente se permite que uma turbina de produção de energia trabalhe a uma velocidade "livre".

Numa turbina de medição de caudal, o rotor não está ligado a um eixo para a produção de trabalho "útil" e opera sempre a uma velocidade "livre". O intervalo de velocidade no qual o medidor de caudal de turbina opera é normalmente bastante amplo. A característica mais importante de um rotor de um medidor de turbina é a estabilidade, e não a eficiência como nas turbinas de produção de energia. Um bom medidor de turbina deve transformar uma velocidade axial numa velocidade rotacional o mais precisa e repetidamente possível. Não é necessário que produza a maior velocidade de rotação possível, mas que produza a representação mais estável da velocidade axial e a que é menos afectada de influências secundárias.

Outro factor que também se deve ter em conta para a eficiência da pá, além do ângulo de incidência, é a forma da pá de modo a diminuir a componente axial da velocidade e a aumentar a componente tangencial, resultando assim numa maior velocidade de rotação. Para um medidor de caudal de turbina, a característica mais importante é a estabilidade e os parâmetros que tornam uma pá mais eficiente também tornam a pá mais sensível a menores mudanças nas condições ambientais tal como o perfil de velocidades.

Hélice

Este tipo é utilizado em medidores com um diâmetro maior ou igual a 2 in. Os medidores de diâmetros mais pequenos são produzidos para aplicações especiais tais como medir o consumo de combustível de um avião. O rotor pode ser montado na vertical ou na horizontal como indicado nas figuras.

Os medidores na vertical apresentam a entrada e a saída sempre na horizontal. O facto de o líquido passar pela câmara na vertical reduz o impulso, no entanto, a mudança de direcção do caudal aumenta a perda de pressão. A relação entre o volume que passa pela câmara por cada volta da hélice é dada por V=PA, onde V é o volume, P é a inclinação das correntes e A é a área de secção recta da câmara. A câmara é feito de um metal que cria resistência ao líquido que passa e encontra-se suspensa, de maneira a ser facilmente desmantelada para manutenção. O indicador encontra-se na horizontal e é visto do topo.

Em alternativa ao medidor na vertical, temos um medidor onde são montados dois rotores.Após a entrada o líquido é dividido em duas correntes, uma entra no rotor 1 por cima , enquanto que a outra entra no rotor 2 por baixo. As duas correntes encontram-se entre os dois rotores saindo juntas na horizontal.

Os medidores de caudal inferenciais podem ser construídos, entre outros, com os seguintes materiais:

l Pláticos variados l Vulcanite l Monel metal l Aço inoxidável l Bronzes especiais

Todos os tipos de medidores inferênciais têm uma exactidão de aproximadamente 2% abaixo da especeficação mínima. Esta especificação mínima é uma pequena fracção do caudal máximo recomendado, e o valor dessa fracção é determinado pelo tipo de medidor e em alguns casos pela dimensão do medidor.

Referindo em particular os medidores mecânicos usados em medições de água, estes concedem capacidade, perda de carga, métodos de teste, etc., para permitir a performance destes medidores ao serem testados de forma ciêntifica, tambem para formar bases de comparação entre os medidores mecânicos e outros.

É evidente que a capacidade dos dos medidores mecânicos é baseada no caudal de fluido e numa especificada perda de carga. O âmbito de todos os fabricantes é obter um medidor com capacidade máxima e uma perda de carga mínima, com uma gama de operação elevada, umas dimensões tão pequenas quanto possivel e um custo mínimo.

Os standards Europeus são baseados numa capacidade nominal em m3/h com uma perda de carga em metros de água.

O standard para os medidores semi-rotativos de piston e para os medidores inferênciais é dado na tabela abaixo:

A capacidade nominal em metros de água vai representar um caudal máximo. O que deve ser reguardado é uma especificação para pequenos medidores mecanicos de acordo com a prática Britânica. Isto é-nos dado pela tabela seguinte:

Para liquidos viscosos como petróleo as perdas de carga podem ser substancialmente maiores do que se o líquidio em questão fosse água.

O medidor inferencial pode ser usado para medir diversos tipos de correntes. Nas secções relativas aos fabricantes, construção/materiais e outros temos diversos exemplos de utilização deste tipo de manómetros em diferentes gamas de medida e condições de operação.

Na calibração dos medidores inferênciais, geralmente na região de caudal minimo existe uma curvatura bastante acentuada na curva teste. Isto está respresentado no gráfico que se segue:

Nos medidores inferenciais na região de fluido mais viscoso as perdas de carga são reduzidas, com um consequente aumento da eficiêndia do rotor. No entanto a sua velocidade, é aumentada para um dado caudal, e o medidor tende a ler rápido na região de maior viscosidade. Quando se aumenta a viscosidade do liquido a curvatura referida anteriormente reduz-se substancialmente. Também se um medidor inferencial for calibrado com água, ele irá ler rápido se posto a medir um oleo viscoso. É do interesse de todos os fabricantes obter uma curva de calibração horizontal, tal como reduzir a amplitude da curvatura anteriormente referida. Deve-se notar que se um medidor inferencial for usado para medir um óleo viscoso ele vai ler lentamente contra uma calibração com água, á medida que o efeito da fricção do fluido se torna considerável aumenta a dificuldade de o fluido passar através do rotor. Quando o fluido é completamente viscoso obtém-se uma constante de erro.

A instalação destes medidores é bastante simples, sendo apenas necessário encaixar o corpo do medidor à tubagem por onde passa o fluido. Teremos no entanto de ter em conta alguns aspectos:

l Verificar se o líquido é aplicável para esse medidor l Verificar que a temperatura máxima não é ultrapassada l O medidor deve estar instalado num local onde gases ou vapor não entrem em contacto com este l Evitar que o ar entre no medidor (caso isto não seja possível, deve-se acrescentar uma válvula

automática para a libertação do ar) l No caso de medição de soluções, estas não devem ser muito concentradas de modo a evitar

cristalização

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Vantagens

l Exactidão elevada l Materiais resistentes à corrosão l Estabilidade a longo prazo l Pode operar com líquidos ou gases l Sinal de saída (output) analógico ou por impulso l Gama de operação elevada l Baixa queda de pressão l Grandes intervalos de pressão e temperatura l Grande capacidade de resistência ao choque l Grande variedade de aparelhos electrónicos disponíveis

Desvantagens

l Preços relativamente elevados