Medição de Vazão

• Define-se vazão com sendo a quantidade volumétrica,

mássica ou gravitacional de um fluido que passa através

de uma seção de uma tubulação ou canal por unidade de

tempo.

Conceitos Físicos Básicos

1- Calor Específico -Quociente da quantidade infinitesimal de calor fornecido a uma unidade de massa de uma substancia pela variação infinitesimal de temperatura resultante deste aquecimento.

2- Relação do Calor específico ( k) É a relação do calor específico de um volume constante e o calor específico da pressão constante. K= Cp/ Cv

Cv;Cp - J/Kg.k

3- Viscosidade - Resistência ao escoamento de um fluido em um duto qualquer

3-1 Viscosidade absoluta ou dinâmica

-atrito interno em um fluido, que se opõe ao movimento relativo de suas moleculas e ao movimento de corpos sólidos que nele estejam

3-2 Viscosidade cinemática

Relação entre a viscosidade absoluta e a massa específica de um fluido tomados à mesma temperatura.

4-Tipos de escoamento - Laminar - Turbulento

5- Número de Reynolds - Determina o tipo de escoamento de um fluido em um duto

( turbulento ou laminar)

v

DV Re

REGIME TURBULENTO

REGIME LAMINAR

4 - TIPOS E CARACTERÍSTICAS DOS MEDIDORES DE VAZÃO

Existem três tipos fundamentais de medidores de vazão: indiretos, diretos e especiais.

1 - Medidores indiretosutilizando fenômenosintimamenterelacionados aquantidade de fluidopassante

I - Perda de carga variável(área constante)

Tubo Pitot

Tubo de Venturi

Tubo de Dall

Annubar

Placa de orifício

II - Área variável (perda decarga constante)

Rotâmetro

2 - Medidores diretos devolume do fluidopassante

I - Deslocamento positivodo fluido

Disco Nutante

Pistão flutuante

Rodas ovais

Roots

II – Velocidade peloimpacto do fluido

Tipo Hélice

Tipo turbina

3 - Medidores especiais

Eletromagnetismo

Vortex

Ultra-sônico

Calhas Parshall

Coriolis

M edição de Vazão por Perda de C arga Variável

C onsiderando-se um a tubu lação com um flu ido passante , cham a-se perda de cargadessa tubu lação a queda de pressão sofrida pe lo flu ido ao a travessá-la . As causas daperda de carga são: a trito entre o flu ido e a parede in terna do tubo, m udança de pressãoe ve locidade devido a um a curva ou um obstácu lo , e tc.

O s d iversos m edidores de perda de carga variáve l usam d iferentes tipos de obstácu los aofluxo do líqu ido, provocando um a queda de pressão. R elacionando essa perda depressão com a vazão, determ ina-se a m edição de vazão pe la seguin te equação:

pT

Tp

Pp

PKQ

1

1

Tubo de Pitot

Annubar

Tubo Venturi

“ Os fluido sob pressão, na passagem através de tubos convergentes ganham velocidade e perdem pressão , ocorrendo o oposto em tubos divergentes”

Placa de orifício

Tipos de placas de orificio - Orificio concentrico

- Orificio Excêntricos

- Orifício Segmental

- Tomada de impulso em placa de orifício - tomada de Flange

- Tomada de Vena Contracta

- Tomada de Tubulação

- Tomada de Canto

Dimensionamento de placas Os seguintes pontos devem ser analisados: A - características do fluido A1 - impurezas ou materiais em suspensão A2 - viscosidade A3 - característica erosiva A4 - possibilidade de incrustação B - características de processo B1 - perda de carga possível B2 - pressão diferencial disponível C - características da instalação C1 - disponibilidade de trecho reto C2 - forma da canalização (tamanho, forma) D - outras D1 - precisão necessária D2 - considerações econômicas D3 - necessidade de instalação em carga

Formas de Cálculo

Dados de Entrada Vazão máxima (QL) Parâmetro do fluido (P, T, etc.) Características geométricas (D, etc.) Pressão diferencial (p)

Valor Calculado > d

Formas de Cálculo

Dados de Entrada d Vazão máxima (QL) Parâmetro do fluido (P, T, etc.) Características geométricas (D, etc.)

Valor Calculado > Pressão diferencial (p)

Formas de Cálculo

Dados de Entrada d Parâmetro do fluido (P, T, etc.) Características geométricas (D, etc.) Pressão diferencial (p)

Valor Calculado > Vazão máxima (QL)

Formula de cálculo de placa para líquidos

CE . 2 = pPFaDN

QLL

....2

.

Onde: N=0,012522- Número para

adequação de unidade QL = m3/h - vazão máxima de

leitura L = kgf/m3 - peso específico

D = mm - diâmetro da linha P = mmH2O - valor da pressão

diferencial correspondente ao máximo valor do transmissor

Formula de cálculo de placa para Líquidos- Número de Reynold

Onde: QUL = m3/h

L = kgf/m3

= cst D = mm

RDU = pD

xxQLUL

..

400.353

Escolha da pressão diferencial e da relação Beta

1- Na prática recomenda-se o valor de beta entre os valores de 0,5 a 0,7

2- Valores de pressão diferencial utilizados em Siderurgia

Fluido Pressão diferencial mmH2O

Gases em baixa pressão

Gases pressurizados

Líquidos

Vapor

Resumo das pressões diferenciais 50

50

500

1000

1000

150

150

1000

2500

5000

1000 2500

500

2500

5000

2500 5000

Transmissor de Vazão por Pressão Diferencial

Os transmissores de vazão por pressão diferencial se baseiam nos mesmos princípios físicos utilizados na tecnologia de medição de pressão. Assim, são utilizados os tipos piezoelétrico; strain-gauge, célula capacitiva,Silício Ressonante etc..., para medir a pressão diferencial imposta por um elemento deprimogenio cuidadosamente calculado para permitir a obtenção da faixa de vazão que passa por um duto . Como a pressão diferencial é relativamente baixa, as faixas de medição destes transmissores são expressas normalmente em mmH2O, kPa ou polH2O.

Relação entre p e Vazão

Aplicações do transmissor de

Pressão

Aplicações do transmissor de

Pressão

Desempenho do Elemento Sensor

Baixa Histerese é a característica mais desejável em um

Sensor

Elemento Sensor

Metal Silicio

Grande Histerese

Sem Histerese

Histerese do Elemento Sensor

: Pode ser compensado com Precisão

: Pode ser compensado

X : Não pode ser compensado

Itens a serem Compensados

Histerese

Não Linearidade

Temperatura

Pressão Estática

Analógico Digital

x x

Capacidade Multi-Sensora do FT

TransistorTemperatura do Circuito

Temperatura da Capsula

Pressão Estática

Pressão Diferencial

Sensor semicondutor

Diagnóstico

Medição de Vazão de Gases

FT

FT

Plugs

Válvulas de Vent

TRANSMISSOR

Manifold 3-vias

Válvulas de Bloqueio

Orifício

Tomadas na posição superior

para aplicação em Gases

Válvulas de Dreno

Plugs

Válvulas de BloqueioXXEvitar pontos baixos

TRANSMISSOR

Manifold 3-vias

FT

FT

Válvulas de Bloqueio

Manifold 3-vias

Tomadas na posição inferior para

aplicação em Líquidos

Válvulas de Dreno

Plugs

Plugs

Válvulas de Vent

Medição de Vazão de Líquidos

Válvulas de Bolqueio

XEvitar pontos altos

TRANSMISSOR

TRANSMISSOR

Orifício

Medição de Vazão de Vapor

FTTRANSMISSOR

Tomadas na posição superior para aplicação

em Vapor

Válvulas de Dreno

Plugs

Válvulas de

Bloqueio Orificío

Pote de Condensado

Manifold

3-vias

Terminal Portátil

F1 F2 F3 F4

ENTER Operação On Line sem perturbação da malha de controle

RELATÓRIODATA:NOME:

Medidores por área variável

Rotâmetros

Referencia para leitura de Vazão com Rotâmetro

Instalação de Rotâmetros

Disco Nutânte

Medidores por Velocidade de Impacto do Fluido

Medidor Tipo Turbina

Medidores Tipo Eletro-magnético

Magnetic FlowmetersMagnetic Flowmeters

Principio de OperaçãoPrincipio de Operação

4

Corrente de Excitação

Força Eletro-Motiva (E) Eletrodos

Campo Magnético (B)Tubulação (D)

E = B * V * DVelocidade do Fluido (V) Alimentação AC ou DC

Gas Vapor

Líquidos Isolantes

Líquidos Condutivos

Fluidos medidos pelos Magnetic Flowmeter Fluidos medidos pelos Magnetic Flowmeter

Relação entre Excitação e Relação entre Excitação e Sinal de VazãoSinal de Vazão

Excitação AC Excitação Pulso DC

Excitação por Dual Frequência

Forma de onda da Excitação

Forma de onda do sinal de vazão

BaixaVazão

Alta Vazão

MAGNETIC FLOWMETERS MAGNETIC FLOWMETERS Principio de OperaçãoPrincipio de Operação

O

X

Estabilidade de Zero

Ruim

Bom

LamaRuidos

AC Powered Excitation

O O

Estabilidade de Zero

BomBom

LamaRuidos

Dupla Frequência de Excitação

X

O

Estabilidade de Zero

Ruim

Bom

LamaRuidos

Pulsed DC Excitation

Linearizadores de fluidos

Medidores vazão mássica

Mass M, moving from the centre to the edgeof a rotating plate will take path B

If mass M is guided by wall A,a Coriolis Force will be exerted on the wall.

Mass M, moving from the centre to the edgeof a rotating plate will take path B

If mass M is guided by wall A,a Coriolis Force will be exerted on the wall.

Efeito de CORIOLIS

V fluid velocitywall A

path BW angular velocity

M

Coriolis Force : Fc = - 2MVxW

Fluid flowing in a rotating elastic tube deflects the tube.

v fluid velocityw angular velocity

deflection

Efeito de CORIOLIS

No Flow :

Parallel Vibration

Mass Flow :

Coriolis Twist

PRINCIPIO DE OPERAÇÃO

CONSTRUÇÃO do SENSOR de VAZÃO

Choice of flange sizes

A

ASection A - A

Excitation Driver

Coriolis Twist Detection

Inner BoxOuter Box

Secondary Containment

Temperature sensor

M = Mass flow rate

Ac = Amplitude of coriolis oscillation

Ae = Amplitude of excitation oscillation

Sk = Sensor constant (calibration constant)

= Sk(20°C) (1+Skt x (T-20°C)) temperature correction

Sk(20°C) = Sensor constant at 20°C

fv = Excitation frequency

Skt = temperature correction coefficient (material constant)

Equações matemáticas

Equação da Vazão: M SA

A fkc

e V

1M SA

A fkc

e V

1 A

Aphase anglec

e

Equações matemáticas

Equação densidade:

KDfl(20 C)

fv

(20 C)

2

1

with = densityfl(20) = exciting frequency of the empty tubes at 20°Cfv(20) = exciting frequency of the filled tubes at 20°C KD = density calibration constantfv(20) = fv / (1+FKT (T - 20 °C)) temperature correction

of the actual frequencyFKT = temperature correction coefficient, depending

on material and size

Medidores vazão por ultra som

64

Principio Básico do Ultrasonic flowmeter

Tecnologia por Tempo de trânsito

– Baseado na medição do tempo (diferença)

– Larga área de aplicação

» Liquidos, gases and Vapor - medidores não são universais

» Instalação tipo Clamp-on, spool-piece e wetted

» Performance muito boa

Tecnologia por efeito Doppler

– Basedo na medição da atenuação da frequência

– Limitada área de aplicação

» Somente paraLiquidos com particulas em suspensão (ou bolhas de ar)

» Somente instalação tipo Clamp-on

– Performance moderada

d

Transit-time

65

Tipos de Ultrasonic flowmeter

US300

Medidores Ultrasonic Flow

In-line flowmeters Clamp-on flowmeters

Spool piece Weld-in

Transit-time Transit-time Doppler

Single or Dual Beam

Multi-beam(Custody transfer)

Clean liquids or

Gas

Clean liquids or

Gas

Clean liquids andHigh Pressure Gas

Clean liquids or

Gas

Single or Dual Beam

Dirty liquids and Aerated liquids

Transducers are either intrusive (“wetted”) or non-intrusive Transducers are non-intrusive

5-beam custody transfer spool piece gas flowmeter

Make Instromet

Dual beam spool piece liquid or gas flowmeter

Make Krohne

Single beam Weld-in liquid flowmeter

Make Endress+Hauser

Single beam Clamp-on liquid flowmeter

Make Yokogawa

67

tt

The “Transit-time” principle

t

tt

68

Como funciona o transdutor

Piezo cristal é exitado

– Por aplicação de Tensão

Frequência de Exitação

– 1 Mhz (type C & D transducers)

– 4 Mhz (type B transducers)

Alta frequencia, Alta resolução

Alta frequencia, Alta atenuação (damping)

Baixa frequencia para grandes tubulações, Alta frequência para pequenas tubulações

Piezo-electric crystal

Shape of sound pulse

69

Limitação da tecnologia Tempo de Transito

“Visibilidade” Sonica entre os transdutores é mandatoria

Entrada de ar ou solidos em suspensão ira dificultar ou inviabilizar medição

Limite de aplicação depende de

– Taxa de amostragem

– Processamento do Sinal

d O O O O O O O O O O O O O O

Air bubble or particle

70

Tecnologia por efeito Doppler

Principio “Doppler” :

– Onda Sonora é transmitida

– Particulas refletem a onda

– Ocorre mudança de Frequência

Pontos fortes:

– Medição Não-intrusiva

– Liquidos devem conter particulas

– Interessantes para medição de pastas

Pontos fracos:

– Baixa Performance

– Performance depende do % solidosd

.Solid particle

Transmitted sound wave

Received sound wave

Flow velocity ~ difference in frequency

71

Transit-time versus Doppler technology

Transit-time - 70%

– Based on the measurement of time (difference)

– Wide area of application; good performance

» Liquids, gases and steam - meters are not universal

» Clamp-on, spool-piece and wetted-sensor type of meters

Doppler - 8%

– Based on the measurement of frequency shift

– Limited area of application; moderate performance

» Liquids with particles (air bubbles) only - pastes

» Clamp-on type meters only

Others - 22%

– Open-channel and hybrid technologies

Medidor tipo Vortex

75

PRINCÍPIO DE OPERAÇÃO

• Brisa Leve• Fluxo Laminar• Não há formação de vórtices

• Brisa média• Fluxo de transição• Formação irregular de vórtices

•Vento forte•Fluxo turbulento

•Formação regular de vórtices

76

Princípio de Operação

Fluxo laminar,

vortices não são formados.

NReynolds = 0 a 5.000

Fluxo de transição,

formação de vórtices irregular.

NReynolds = 5.000 a 20.000

Fuxo turbulento,

formação regular de vórtices.

NReynolds = >20.000

77

PRINCÍPIO DE OPERAÇÃOPRINCÍPIO DE OPERAÇÃO

Vórtices gerados continuamente Alternam-se de um lado para o outro A freqüencia de geração dos vórtices é

proporcional à velocidade

78

Princípio de Operação

A formação de Vortex em nuvens se movendo e chocando no topo de uma montanha é um exemplo de um fenômeno natural de formação de vórtices.

Mountain Top

Vortices

79

Princípio de Operação

O fluxo quando encontra o “Shedder Bar” se divide, e devido ao formato do

anteparo ocorre a formação dos vórtices. Através do anteparo, os vortices criam um diferencial de pressão alternado. O anteparo é fisicamente estressado em direção ao lado de baixa pressão do

anteparo. A direção da força alterna a frequência de formação dos vórtices.

Flow

Flow

Crystal ACrystal B

Force H L

Um cristal piezoelétrico converte um stress

mecânico em um pulso elétrico. Esse sinal é convertido em uma

saída analógica de 4 a 20 mA ou uma saída de pulsos. Os cristais são hermeticamente selados e não entram em contato

com o fluido do processo.

80

Princípio de Operação

A frequência dos vórtices “f” é proporcional a velocidade “v” do fluido. E desta maneira é possível obter a taxa de fluxo através da fórmula:

f = St (v/d)

onde: f = frequência dos vórtices

St = número de Strouhal (constante)

v = Velocidade

d = espessura do shedder (constante)

81

O que é o número de Strouhal?

l

O número de Strouhal é a relação entre o intervalo de formação dos vórtices e a espessura do shedder.

St = d / l

83

Medidor de Vazão Vortex

84

Medidor Vortex Digital com sensor de temperatura incorporado

Sensor de Temperatura (Pt1000、 Classe A)

85

飽和蒸気曲線

0

10

20

30

40

50

0 50 100 150 200 250 300

Temperature ℃（ ）

Pre

ssure

(kgf/cm

2 ）

Mecanismo para medição de vapor saturado

Medição de temperatura

Cálculo da vazão mássica

Cálculo da densidade

Vazão Mássica(Qm)=Vazão Volumétrica(Qv)×Densidade(ρ)

Calculada pela frequência do vortex(f=St・v/d)

Curva de vapor saturado

MEDIDOR VORTEX ULTRA-SÔNICOMEDIDOR VORTEX ULTRA-SÔNICO

Princípio de Medição Princípio de Medição

Conta a frequência dos vórtices por ultra-som

Transmissor

T

R

Receptor

T

R

Sensor não molhado

Princípio de DetecçãoPrincípio de Detecção

Aceleração da Velocidade do Som

Velocidade do Fluido

Receptor (R)

Desaceleração da Velocidade do Som

Transmissor (T)

Vórtice

Receptor (R)

Transmissor (T)

92

Curva de Saída x Vazão Curva de Saída x Vazão

SINAL

DE

SAÍDA

20 mA

4 mA

Q=0 QMIN QMAXVAZÃO

Linear com a vazão

95

Aplicações do VORTEXAplicações do VORTEX Melhores Aplicações

– Fluidos limpos de baixa viscosidade (< 3cp)– Vapor e gás– Hidrocarbonetos de baixa viscosidade– Água, químicos muito pouco corrosivos

Aplicações a Serem Estudadas– Líquidos de média viscosidade (< 7cp)– Químicos levemente corrosivos– Lamas de baixa concentração ( menos de 1%)

96

Alguns Sensores TípicosAlguns Sensores Típicos

97

RequisitosRequisitos para Medição de Vapor para Medição de Vapor

VaporAberta

O “shedder” deveser resistenteAberta O condensado atinge

o“shedder” com força

Condensado VácuoFechada

98

Medição de Vazão de VaporMedição de Vazão de Vapor

TXTRANSMISSOR

A posição da tomada de impulso

é normalmente voltada para cima

Válvula Dreno

Válv. de Bloqueio

PlacaPote de

Condensado

Manifold de 3 Vias

YEWFLO

Plugue

101

Transmissor de Temperatura

Transmissorde Pressão

Computador

de Vazão

2 à 7D 1 à 2D

Trechos Retos de TubulaçãoTrechos Retos de TubulaçãoTomadas de Pressão e de TemperaturaTomadas de Pressão e de Temperatura

102

1 - Trecho Reto de Tubulação à Montante

10 D

Curva

10 D

Tê

Válvula Gaveta Totalm. Aberta

10D 5D

Válvula de Controle

30-50D

Trechos Retos para Manter a PrecisãoTrechos Retos para Manter a Precisão

Redução

10D

Expansão

10D

103

Líquidos Contendo Bolhas

Correto Errado

Errado Correto

Recomendações de Instalação do vortex para Medição de Líquidos

105

Instalação para Manter o Vortex Instalação para Manter o Vortex Cheio com o Líquido de ProcessoCheio com o Líquido de Processo

Correto

Correto

Correto

Errado

106

2. Instalação com válvula

(Correto)

(Errado)

Válvula de bloqueio

Sentido do Fluxo

Válvula de bloqueio

Instalação Para Manter o Vortex Instalação Para Manter o Vortex Cheio com o Líquido de Processo Cheio com o Líquido de Processo

107

Recomendações de Instalação do Recomendações de Instalação do Vortex para a Medição de GasesVortex para a Medição de GasesRecomendações de Instalação do Recomendações de Instalação do Vortex para a Medição de GasesVortex para a Medição de Gases

Errado

Correto

108

Recomendações de Instalação do Recomendações de Instalação do Vortex para a Medição de GasesVortex para a Medição de GasesRecomendações de Instalação do Recomendações de Instalação do Vortex para a Medição de GasesVortex para a Medição de Gases

Aplicações ComunsCorreto

Errado

Aplicações com Possibilidade de Fluxo Pulsante

ErradoCorretoVálvula de Controle

Válvula de Controle

109

Geralmente, é melhor selecionar o Vortex de Geralmente, é melhor selecionar o Vortex de diâmetro imediatamente menor que o da tubulação diâmetro imediatamente menor que o da tubulação para aumentar a faixa de medição.para aumentar a faixa de medição.

Escolha do Vortex de Tamanho IdealEscolha do Vortex de Tamanho Ideal

Redução Redução

1 tamanho menor que o da tubulação

Vortex

110

Recomendações de InstalaçãoRecomendações de InstalaçãoRecomendações de InstalaçãoRecomendações de Instalação

Correto Errado

Errado Errado Correto

Medidor em canal aberto