Evolução da medição de vazão por Coriolis

(André Nadais, Business Driver de Vazão da Endress+Hauser) andre.nadais@br.endress.com

Mais de 30 anos se passaram desde que foi desenvolvido o primeiro medidor de vazão industrial pelo princípio Coriolis, que permitia medição direta de massa. Durante esse tempo muitas evoluções ocorreram aumentando cada vez mais a precisão de medição, reduzindo o tamanho dos tubos e ampliando a gama de produtos que podemos atingir, em diâmetros cada vez maiores e tornando-se a tecnologia mais precisa para medição de vazão mássica de líquidos e gases. Nas próximas páginas vamos trazer um pouco do princípio por trás dessa tecnologia e do que existe de mais avançado para a tecnologia coriolis no mercado. A física envolvida:

Coriolis nos remete a Força de Coriolis, que vai além de apenas uma variável metrológica. O nome Coriolis se deve a Gustav Gaspar de Coriolis (1792-1843), um Cientista e Matemático Francês conhecido pelo seu trabalho sobre o efeito Coriolis, entre vários outros trabalhos ele foi o primeiro a determinar o trabalho como produto da força e distância. Coriolis desenvolveu importante trabalho sobre o movimento de partículas em sistemas rotacionais, e a partir desse ponto ele foi o primeiro a descrever o efeito Coriolis e a suas conseqüências, porém, naquela época ele nem imaginava que 200 anos depois essa seria uma das tecnologias mais utilizadas em automação de processo para medição mássica de vazão. O que Coriolis descreveu foi a seguinte observação: um corpo em movimento dentro de um sistema em rotação sofre um desvio lateral causado pelo movimento rotacional, a essa força deu-se o nome de “Força Coriolis”.

Para que entendamos isso de forma mais simples, vamos a um exemplo prático: imagine uma grande vitrola, nossos velhos tocadores de vinil, agora se imagine no centro dessa vitrola e comece a caminhar para a borda em linha reta em direção a um objeto fixo. O seu corpo sofrerá um desvio lateral que fará com que você não consiga seguir sobre a linha reta. Essa força empurrando para o lado é a de coriolis. O fato mais importante é que a força coriolis é proporcional e a velocidade e a massa do corpo em movimento sobre o sistema.

Fig 01: Um corpo em movimento linear sobre um sistema rotacional, sofre um desvio lateral.

O Princípio de medição:

Trazendo o efeito da força Coriolis para um sistema de medição de vazão, teremos ao invés de uma vitrola girando em velocidade constante, um tubo curvo em constante oscilação causando um movimento lateral dos tubos (para traz e para frente). No lugar da pessoa caminhando sobre a vitrola teremos um fluido passando por dentro desse tubo em movimento linear. Quando a vazão por dentro do tubo for igual a zero, ou seja, sem movimento linear, não haverá atuação da força coriolis, por outro lado, assim que fluido começar a fluir pelo tubo, teremos uma clara deformação sobre os tubos. Conforme ilustrados na Figura 02, na primeira imagem o fluido está parado (V=0) e no segundo temos o fluido em movimento (V>0). A deformação causada é proporcional à taxa de vazão mássica de produto que está passando pelo tubo de medição.

Fig 02: Deformação causada no tubo na presença de vazão

V = 0

V > 0

Para medirmos essa deformação inicialmente se colocou dois tubos curvos e paralelos oscilando em uma freqüência de ressonância e medimos a deformação na entrada e na saída desses tubos. A partir daí obtivemos que o tempo de atraso, em outras palavras atraso de fase, entre a deformação na entrada com a saída, é proporcional a vazão mássica. Quanto maior a vazão mássica maior a diferença de fase.

Além da medição de vazão de vazão observou-se que o sistema de medição de vazão é capaz de medir a densidade do fluido que está no interior dos tubos. Dependendo da densidade do produto a freqüência de oscilação varia. Assim medindo a freqüência de ressonância dos tubos, sabemos a densidade do meio.

Adicionalmente se inseriu nos medidores Coriolis um sensor de temperatura (PT1000) que transmite a real temperatura do fluido.

Fig 03: Medidor de vazão coriolis da Endress+Hauser modelo Promass 83F de sensor duplo e curvo, em pequenas dimensões.

Devido ao seu princípio de funcionamento

um medidor Coriolis é totalmente independente do perfil de vazão, o que permite que ele seja instalado, sem requerimentos de trechos retos, por exemplo, podemos instalar um coriolis, logo após de uma curva ou uma bomba sem afetar a sua medição.

O único requisito necessário em sua instalação é de que o tubo esteja cheio. Embora o sistema meça líquidos e gases, não é possível fazer a medição de meios bifásicos. Para atingirmos o grau de precisão ideal não podemos ter, por exemplo, bolhas em um líquido.

Tecnologia em sensores de medição:

A partir dessa tecnologia foram criados os

primeiros medidores de vazão por Coriolis que

utilizavam dois tubos curvos, avanços tecnológicos na construção de tubos permitem atualmente a construção de medidores com diâmetros variando de 1mm até 300mm permitindo sua aplicação desde e a industria farmacêutica para a dosagem de pequenas gotas até o enchimento um navio. Com incerteza na medição vazão inferior a 0,1 %, esse se tornou o sistema mais preciso de medição de vazão do mercado, oferecendo a possibilidade de medição de vazão mássica direta sem a necessidade de cálculos externos para líquidos, gases e vapores.

Devido à dificuldade na construção os primeiros medidores eram grandes, precisam criar um longo trecho curvo para medir a deformação e sofriam diversas influências de condições de processo. Atualmente ainda temos medidores com tubos em diferentes formatos (Tubo em U, Triangulo, Omega etc.), porém temos cada vez mais tubos menos curvos e até mesmo tubos retos.

Um avanço importante na fabricação de medidores de vazão está na freqüência de oscilação dos tubos de medição. Atualmente existe no mercado medidores de diferentes freqüências de oscilação, porém quanto mais alta a freqüência de oscilação do medidor mais imune a imune a vibrações do processo se torna o sistema. Uma vibração de tubulação, vinda de uma caldeira, uma turbina ou um compressor, oscila por volta de 50 e 150 Hz para evitar que isso cause distúrbios na medição alguns fabricantes colocaram sua freqüência de oscilação entre 600 e 1000Hz, tornando o medidor totalmente imune a vibrações de processo, sem necessidade de ajustes no local de instalação. Eliminando por exemplo à necessidade de Ajuste de ponto zero, e garantindo a estabilidade do medidor no longo prazo.

Fig 04: Coriolis que trabalha com alta freqüência e pequenas dimensões garantido total imunidade a

vibrações de processo.

O avanço em materiais utilizados na construção do sensor também permitiu atingir limites cada vez maiores de temperatura a pressão, para aqueles processos onde temos condições mais extremas. Atualmente já conseguimos atingir temperaturas de até 350ºC e pressões de processo indo até 350Bar. Sensores de tubo único e curvo:

Para diâmetros de medição muitos pequenos é usual que utilizemos medidores de tubo único, que utiliza como referência de medição pequenos pesos de compensação para a oscilação do tubo. Entretanto recentemente tivemos um grande revolução tecnológica, um medidor de um tubo único para medidores de até

2”, sistema que trabalha por um sistema especial de balanceamento dos tubos.

Após tantos anos analisando o como os tubos oscilam, a referência de medição deixou de ser a diferença entre os tubos, e passou para um ponto fixo dentro da caixa que reveste os tubos de medição. Isso permite uma redução na perda de carga tal como uma facilidade na limpeza do sensor.

Essa tecnologia traz diferença quando: • Processos que precisam de limpezas

constantes (indústrias Farmacêutica, Alimentícia, Biotecnologia etc.);

• Trabalhamos com materiais especiais (Zircônio, Hastelloy, Ouro);

• Precisamos reduzir a perda de carga; • Polimentos especiais dos tubos de

medição.

Fig 05: Medidor de tubo curvo e único Endress + Hauser modelo Promass S, desenvolvido para aplicações especiais, que requerem limpeza constante

Medição de concentração:

Com os mesmos padrões coriolis apresentados até aqui também é possível a medição de concentração de produtos. Isso é possível a partir da capacidade de alguns medidores de trabalhar em cima dos valores obtidos para a densidade e temperatura obtidas pelo sensor de medição e calcular a concentração. Para isso o medidor precisa de uma tabela que relacione esses dados (temperatura x densidade x concentração). Em

medidores mais avançados algumas dessas tabelas estão automaticamente inseridas no sensor. Isso permite a medição on-line de variáveis comuns na indústria como, por exemplo, o ºINPM, ºBrix, ºGL, ºBaume, ºPlato, ºAPI ou mesmo a própria concentração de qualquer outro produto em % de sólidos.

Medição de Viscosidade:

Hoje já é possível medição de viscosidade com medidores Coriolis. Podemos chamá-lo de medidor multi-variável, que é capaz de medir 4 variáveis de processo simultaneamente vazão mássica, densidade, temperatura e viscosidade, além de poder calcular, a vazão volumétrica (como razão da massa pela densidade) e a concentração de produto. Tudo isso sem nenhuma desvantagem na instalação.

Essa novidade tecnológica veio com um padrão especial de tubo de que trabalha com apenas um tubo de medição totalmente reto! Reduzindo totalmente a perda de carga, esse tubo de medição pode ter o mesmo diâmetro da tubulação. Tudo isso em um tubo especial feito de titânio, disponível nos diâmetros entre 8mm e 80mm.

Para substituir o balanço natural dos dois tubos, esse medidor e constantemente torcido. Um pêndulo de balanceamento é aderido a tubo do sensor e funciona basicamente como um pêndulo de um relógio em constante oscilação. Esse método é chamado de TMB™ (Torsion Mode Balancing)¹. Sendo totalmente isolado de vibrações de processo esse sistema, se torna totalmente imune a vibrações e oscilações externas.

Fig 06: Medição coriolis pelo sistema TMB™ que permite a medição on-line da viscosidade do

fluido medido.

Observou-se que a variação da energia aplicada ao sensor para manter essa a amplitude da torção constante variava conforme a alteração da viscosidade do produto. Podemos fazer um paralelo entre girar um cilindro cheio de água (baixa viscosidade) e girar o mesmo cilindro cheio de um mel (alta viscosidade). A força que aplicamos para girar o sistema e proporcional a viscosidade dinâmica do produto medido. Como a densidade também é medida pode-se também determinar a viscosidade dinâmica.

Sendo essa uma solução única para a medição de viscosidade on-line direto na tubulação com um único instrumento.

Fig 07: Medição de viscosidade a partir do sistema TMB™

Esse sistema é aplicado para medição de viscosidade de fluidos newtonianos, para o controle da qualidade do processo. Uma mudança na viscosidade do produto pode indicar um problema no processo, ou indicar que a qualidade do produto naquele ponto do processo está dentro ou fora do range esperado de viscosidade. O processamento digital de sinais:

Eletrônicas cada vez mais robustas tornam os medidores extremamente capazes na análise de sinal, a maioria dos medidores já trabalham com sistemas digitais de processamento que permitem um bom tratamento sobre o sinal do sensor de medição, possibilitam que os medidores sejam auto-diagnósticos abrindo espaço para uma manutenção preditiva.

Os medidores atuais mais avançados são capazes de detectar se existe alguma incrustação nos tubos de medição, se existe bolhas no líquido que está sendo medido ou se houve alguma ruptara dos tubos, entre muitas outras funções de diagnósticos.

A forma como esses sensores apresentam resultados na sua saída também vem mudando. Os medidores já suportam a diversos protocolos digitais de comunicação industrial, como o Profibus DP / PA, o Fieldbus Foundation, o Hart e o Modbus. Trabalhando integrados a padrões de acesso como o FDT/DTM.

Transferência de Custódia:

Devido ao seu alto desempenho para medição mássica de vazão, o medidor por coriolis é atualmente o aceito pelo Inmetro no Brasil, e pelos grandes órgãos internacionais, para processos onde o medidor de vazão é utilizado para medição fiscal, como por exemplo, em terminais de carregamento substituindo as atuais balanças ou mesmo em sistema de abastecimento de Gás Natural Veicular. O medidor garante maior precisão durante todo o enchimento mesmo nas mais baixas vazões.

O sistema coriolis foi recentemente aprovado pelo Inmetro para Transferência de Custódia, a lista total de fornecedores que atendem a essa norma pode ser encontrada no site do Inmetro (www.inmetro.gov.br), aqui podemos citar a portaria de aprovação de modelo do Nº 070 de 2007 do INMETRO divisão de metrologia legal (DIMEL), que aprova os medidores Endress+Hauser, para essa aplicação.

Conclusão

Por todos esses motivos o coriolis é o estado da arte dos medidores de vazão, com todo avanço tecnológico podendo então atingir as instalações mais exigentes na industrias que precisam de máximo de precisão de um sistema

de medição de vazão, atingindo as necessidades mais especificas de cada instalação. O coriolis é atualmente o sistema mais preciso de medição direta de vazão mássica, nenhum outro princípio de medição de vazão industrial consegue atingir os limites alcançados por um sistema como o coriolis.

Tudo isso aliado à facilidade de instalação, a quantidade de variáveis que podemos determinar, a possibilidade de medir massa sem necessidade de compensações externas, aplicá-lo em líquidos e gases, atingir altas pressões e temperaturas, tornam o coriolis o grande astro da Metrologia, para medição de vazão.

Notas: - ¹ TMB™ é uma marca registrada da Endress+Hauser.

Referências: • Flow Handbook, Endress + Hauser Flowtec

AG, 2004 • Inmetro: Portaria 070/2007 Aprovação de

modelo medidor coriolis para transferência de custódia, site: www.inmetro.gov.br

• Endress+Hauser: www.br.endress.com