Instalação de Medidores de Vazão

Esse artigo contém informações sobre os tipos de Medidores de Vazão, modo de utilização, fórmulas, cálculos e exemplos de aplicações. O conteúdo Vazão possui mais informações sobre o assunto.

Pressão

Para se obter resultados satisfatórios, convém observar certos cuidados na instalação de medidores de pressão diferencial acoplados a placas de orifício ou outros elementos de medição.

Os tubos empregados para as tomadas de pressão, geralmente com diâmetro de ¼ a ½”, não devem apresentar qualquer vazamento. Devem ser mantidos limpos e livres de obstruções. Seu comprimento não deve ultrapassar 15 metros.

No caso de líquidos e vapores, o medidor deve ser instalado, de preferência, abaixo das tomadas de pressão diferencial, mantendo-se linhas cheias de líquido. Se houver sólidos em suspensão, convém colocar câmaras de sedimentação abaixo do medidor.

Quando se mede a vazão de vapor com medidor do tipo pressão diferencial, convém usar linhas verticais cheias de água, com uma câmara de condensação no topo de cada linha. Dessa forma, evitam-se variações de pressão nas tomadas de impulso.

No caso de gases, convém que o medidor seja instalado acima das tomadas de pressão, evitando-se dessa forma que haja qualquer líquido nas linhas.

A Medição de Vazão de líquidos corrosivos ou viscosos pode ser feita utilizando-se uma purga contínua de ar, gás ou líquido. Pode-se também utilizar líquidos de selagem convenientes.

Medidores de Área Variável

O rotâmetro é um exemplo típico desta categoria de Medidores de Vazão. Ele é constituído de um tubo, em geral de vidro, com forma de tronco de cone invertido, contendo um flutuador que pode se mover livremente no sentido vertical.

O fluido a ser medido é alimentado pela parte inferior do tubo, escoa ao redor do flutuador, e sai pela parte superior (ver fig.13). A passagem do fluido pelo tubo tende a levantar o flutuador. No equilíbrio, o flutuador está sujeito às seguintes forças:

Peso (P), de cima para baixo;

Empuxo (E), de baixo para cima;

Pressão na parte de baixo do flutuador, multiplicada pela área do flutuador (p₁ . a);

Pressão na parte de cima do flutuador, multiplicada pela área do flutuador (p₂ . a).

Vale a expressão:

5.15

Para um dado flutuador e um dado fluido, as forças P e E são constantes. Portanto, para qualquer posição do flutuador, p . a é constante. Visto que a área do flutuador é constante, p deverá ser constante, para qualquer condição de vazão.

Por outro lado, a vazão é dada por uma expressão do tipo:

5.16

onde:

Q = vazão de fluido que escoa através do medidor;

K = fator de proporcionalidade;

A = área anular por onde o fluido escoa; e

Δ P = é a pressão diferencial.

Acabamos de verificar que P é constante, para qualquer vazão. Segue-se que a área por onde passa o fluido é diretamente proporcional à vazão. Essa área aumenta de maneira praticamente linear, à medida que o flutuador se move para cima.

Fig.13 Rotâmetro típico

Pode-se, portanto, gravar uma escala no tubo (ou montá-la ao lado do mesmo), indicando diretamente a vazão. A escala é sensivelmente linear, desde cerca de 10 a 100% da vazão máxima.

Nos casos em que o tubo de vidro não pode ser utilizado, devido à pressão, temperatura ou corrosividade do fluido, pode-se usar um tubo metálico. A transmissão do movimento do flutuador para o exterior é feita por intermédio de um imã permanente, que movimenta um “seguidor” externo. Dessa maneira, podem também ser acoplados indicadores, registradores, totalizadores, transmissores e contatos de alarme.

O dimensionamento de um rotâmetro consiste em escolher-se as dimensões adequadas do instrumento, para uma vazão desejada. Os fabricantes fornecem, em geral, tabelas com as capacidades em cm3/ min ou gpm, para água, e em cm3/ min ou scfh, para ar (em condições “standard”).

Essas capacidades referem-se, em geral a flutuadores de aço inoxidável, que são os mais comuns. Para líquidos ou gases diferentes dos citados, bem como quando se deseja utilizar flutuador de outro material, fornecem-se fórmulas e/ou nomogramas para se encontrar a vazão de água ou de ar equivalente.

A viscosidade pode afetar a leitura de um rotâmetro. Se a viscosidade for conhecida, pode ser feita uma correção para levar em conta esse fator. Alternativamente, o rotâmetro pode ser calibrado nas condições de operação, com o próprio líquido cuja vazão se quer medir.

Ao contrário dos medidores de pressão diferencial, o funcionamento do rotâmetro não é afetado pelo formato e condições da tubulação à qual for conectado.

Rotâmetros em “by-pass” podem ser utilizados para a medição da vazão em tubulações de 2” ou maiores. Coloca-se uma placa de orifício na tubulação principal, com flanges de orifício. Uma linha de derivação, contendo um rotâmetro e uma segunda placa de orifício, é ligada às tomadas de pressão.

A vazão através da linha em derivação se mantém numa determinada proporção, em relação à vazão principal. O rotâmetro pode indicar diretamente a vazão através da linha principal, com uma escala linear.

Medidores de Deslocamento Positivo

Medidores de deslocamento positivo são medidores mecânicos em que o fluido a ser medido enche e esvazia alternadamente um volume conhecido. Eles contém uma ou mais peças móveis, que se movimentam impulsionadas pelo próprio fluido.

O movimento dessas peças é transmitido a um ponteiro ou contador, que indica a quantidade total movimentada. O medidor de engrenagens ovais é um exemplo típico desta família de medidores de vazão. A fig. 14 mostra um medidor típico.

Fig. 14 Medidor de engrenagens ovais

O medidor de foles é usado para totalizar a vazão de gases. Consiste de dois foles que são alternadamente enchidos e esvaziados através de passagens controladas por válvulas corrediças. Um contador é impulsionado pelo movimento das válvulas.

Medidores de Vazão em Canais Abertos

Medidores de vazão em canais abertos são utilizados em usinas hidroelétricas, redes de abastecimento de água, redes de esgoto e sistemas de irrigação. Estes medidores podem ser classificados em dois tipos básicos, a saber: vertedouros de faces planas e calhas Parshall

Vertedores constituem um dos dispositivos mais simples utilizados para esse fim. Um vertedor consiste essencialmente em uma barragem introduzida no canal, com uma abertura na parte superior. A vazão é medida através da medição do nível do líquido num ponto a montante do vertedor.

A medição é usualmente feita por um sistema de purga de ar, ou por uma bóia, podendo a vazão ser indicada, registrada e totalizada por um instrumento adequado. Frequentemente usa-se uma câmara para medição do nível, ligada por um tubo ao canal, para evitar oscilações devidas à turbulência natural do líquido.

Fig.15 a: Detalhe típico de instalação de um vertedor. b: Tipos de vertedores

A fig.15a mostra um detalhe típico de instalação de vertedor e a fig.15b apresenta as formas usuais de vertedores usados em aplicações práticas

O vertedor triangular, ou em “V” consiste em uma abertura em forma de “V”, com ângulo entre 30 e 90º. Podem ser medidas vazões desde 5 até 7000 litros/minuto, com níveis de 3 a 45 cm. A relação entre vazão e nível é dada pela expressão:

5.17

onde:

Q = vazão, em pés cúbicos/ segundo;

Ø = ângulo, em graus; e

H = nível do fluido de processo, em pés

O vertedor retangular tem, como o próprio nome indica, uma seção retangular, que pode, em alguns casos, se estender até as bordas do canal. É o tipo mais comum, dada sua simplicidade. A expressão que relaciona vazão com nível é a seguinte:

5.18

onde:

Q = vazão, em pés cúbicos/ segundo;

L= largura da seção retangular; e

H = nível do fluido de processo, em pés

O vertedor trapezoidal “Cipoletti” tem uma seção trapezoidal, com lados inclinados na proporção de 1 para 4 (horizontal para vertical). A expressão é:

5.19

A calha Parshall (fig. 16) tem um perfil especial, podendo ser adquirida pré-moldada de diversos fabricantes. Visto não necessitar de uma “cascata”, como no caso dos vertedores, a perda de carga é de cerca de ¼ daquela de um vertedor com a mesma capacidade.

Fig.16 Calha Parshall típica

A expressão que relaciona vazão com nível é dada por uma expressão do tipo:

5.20

onde

Q = vazão de fluido que escoa através do medidor;

K = constante de proporcionalidade que depende das unidades e da largura;

H = nível de fluido de processo que escoa através do medidor; e

n = coeficiente característico para cada medidor (aproximadamente igual a 1,5).

Medidores Magnéticos

O medidor magnético se baseia na Lei da Indução de Faraday, que afirma que o movimento de um condutor elétrico que se desloca cortando as linhas de fluxo de um campo magnético faz aparecer uma força eletromotriz, que é proporcional ao campo, ao comprimento do condutor, e à velocidade com que o mesmo se movimenta.

É o princípio utilizado nos geradores de tensão contínua e alternada. Para utilizar esse princípio na medição de vazão, um tubo metálico revestido com um isolante (borracha natural, borracha sintética, teflon, etc.) é montado entre duas bobinas, pelas quais passa corrente alternada obtida da rede (fig. 17). Dois eletrodos, um de cada lado, captam a f.e.m. gerada pelo líquido em movimento. Essa f.e.m. é amplificada, para acionar um indicador, registrador ou totalizador.

Fig.17 Medidor magnético típico

Para que o medidor magnético funcione a contento, o líquido deve ter uma condutividade elétrica mínima. Ele serve, portanto, para medir a vazão de água, soluções aquosas, ácidos, etc. Não pode, entretanto, ser utilizado com hidrocarbonetos, que são isolantes elétricos.

A viscosidade do líquido não exerce qualquer influência. Não há perda de carga alguma. Pode ser utilizado para fluidos “sanitários” (alimentícios e farmacêuticos), visto que não há concavidades que possam estimular a formação de colônias de bactérias.

O amplificador pode ser “integral” (montado no próprio elemento) ou montado em separado. Alguns fabricantes oferecem sistemas especiais para limpeza dos eletrodos.

Quando o fluido a ser medido contem materiais magnéticos (certos minérios, por exemplo), o campo magnético é afetado, introduzindo um erro na medição. Existem medidores em que essa influência é compensada.

Medidores de Turbina

O medidor de turbina consiste em uma turbina colocada na passagem do fluido, e que gira com uma velocidade proporcional à vazão. O movimento é transferido para o exterior por meio de engrenagens ou por um detetor eletromagnético, que produz um impulso para cada passagem de uma pá da turbina. Sua precisão é excelente, apresentando uma rangeabilidade bastante elevada.

A principal limitação deste tipo de elemento sensor de vazão é o fato de só poder operar com fluidos limpos. A presença de material particulado em suspensão danifica as pás do reator. A fig.18 mostra o princípio de funcionamento de um medidor tipo turbina típico.

Fig.18 Medidor tipo turbina típico

Medidores Térmicos

A fig. 19 ilustra um medidor térmico que utiliza o fenômeno de transferência de calor por condução, para medir a vazão em massa de líquidos e gases. Ele é composto por dois termopares ou termômetros de resistência que medem as temperaturas do fluido antes (T1) e depois (T2) do aquecedor elétrico. Todos os três colocados dentro da tubulação.

Fig.19 Medidor de vazão térmico com o aquecedor e sensores internos

A equação que rege a transferência de calor para fluido é a seguinte:

5.21

Onde:

Q = calor transferido para o fluido (j / h);

W = vazão em massa do fluido (Kg / h);

c_p = calor específico do fluido (j / KG K);

T₁ = temperatura do fluido antes do aquecedor (K); e

T₂ = temperatura do fluido depois do aquecedor (K)

Medindo-se Q (constante) com um vatímetro, T1 e T2 com os termopares e notando que C_P é uma constante do fluido, temos que a vazão é dada por:

5.22

A desvantagem desse sistema é a colocação dos sensores de temperatura e do aquecedor dentro da tubulação, podendo assim, serem danificados (corrosão ou abrasão) pelo fluido.

Para resolver este problema foi criado o sistema visto na fig. 20, onde os sensores e o aquecedor são instalados externamente a tubulação. Esta deve ser feita de material bom condutor de calor.

Neste caso a transferência de calor se dá em duas etapas. O calor passa do aquecedor para a tubulação e daí para o fluido. Como consequência, as equações relacionando a vazão em massa com o calor transferido ao fluido são não-lineares e por isso, serão omitidas.

Fig.20 Medidor térmico com o aquecedor e sensores externos

Medidor Ultra-sônico

Uma concepção desse instrumento é vista na fig. 21, onde quatro transdutores acústicos, de cristal piezoelétrico, são usados para enviar e captar sinais ultra-sônicos através do tubo e que são amplificados, por um transmissor (não visto), cuja saída é em pulsos por segundo ou 4 a 20 mA proporcional a vazão.

Fig.21 Medidor de vazão ultra-sônico

O princípio de operação segue abaixo. Definiremos os seguintes termos:

v = velocidade do fluido (m/s);

x = distância entre um par transmissor receptor (m);

y = velocidade do som no fluido (m/s); e

a = ângulo que a trajetória do som faz com a parede da  tubulação.

A velocidade do som do transmissor A ao receptor A, aumentada pela vazão do fluido, é:

5.24

O som gasta T para ir do transmissor ao receptor igual a:

5.25

Portanto, a frequência deste sinal é:

5.26

A velocidade do som do transmissor B ao receptor B, reduzida pela velocidade do fluido é:

5.27

Analogamente, a frequência do sinal B é:

5.28

A frequência de batimento, ou seja, a diferença entre fA e fB vale:

5.29

Notando que “x” e “” são constantes, a velocidade do escoamento do fluido (v) pode ser obtida medindo-se f. A vazão (Q) é obtida, a seguir, multiplicando-se “v” pela área (A) da seção transversal da tubulação (m²):

5.30

Medidor de Vórtice

Para facilitar a compreensão do seu funcionamento, vejamos o que ocorre com o fluido ao passar pelo medidor de vórtice que não possui partes móveis (fig. 22).

Fig.22 Medidor de vazão por efeito de precessão do Vórtice

O fluido entra no medidor (pela esquerda) e passa por uma hélice fixa que provoca um redemoinho no fluido. Em seguida, esse redemoinho, cujo vórtice (centro do mesmo) está alinhado com a linha central do medidor, passa por uma seção cilíndrica e aí expande-se ao entrar numa região mais ampla. Então o redemoinho é desfeito ao passar pelas pás, também fixas, antes de sair do aparelho (a direita).

Quando o fluido em rodopio se expande, o seu vórtice inicia um movimento de precessão (trajetória helicoidal), cuja frequência é proporcional a vazão volumétrica do fluido. Essa frequência é medida através do sensor. Como esta tarefa é realizada veremos a seguir.

Um gás ao se expandir experimenta também um resfriamento, ou seja, a sua temperatura diminui. No nosso caso, o resfriamento não é uniforme, pois o vórtice tem uma velocidade de rotação maior que o resto do fluido em redemoinho; devido a isso sua temperatura é menor.

O sensor, um termistor de resistência variável com a temperatura, é alimentado com uma corrente contínua e, assim a cada variação de resistência devido a alternância de regiões de maior ou menor temperatura (quando o vórtice está mais próximo do termistor) corresponderá uma variação de tensão sobre o termistor.

Este sinal, amplificado e filtrado, transforma-se numa onda quadrada cuja frequência é proporcional vazão do fluido. O sinal pode então ser enviado ao indicador de vazão.

Totalizadores (Integradores)

A totalização da vazão medida com Medidores de Vazão instantânea pode ser feita com totalizadores ou integradores que, em geral, fazem uma amostragem periódica do valor da vazão. fazendo com que o motor de um contador gire, em cada período, um tempo proporcional à porcentagem da vazão medida.

Tais totalizadores podem ser fornecidos montados em conjunto com indicadores, registradores ou controladores, podendo também ser montados separados.

Medição de Vazão de Sólidos

Em muitos processos industriais, há interesse em medir-se a quantidade de sólidos (minérios, carvão, produtos químicos em pó, etc.) que passam por um determinado ponto. A maneira mais comum de efetuar-se essa medição consiste em transportar os sólidos em uma correia transportadora, e efetuar-se a medição do peso de uma seção da correia.

Para se obter uma medição satisfatória, o instrumento deve ser “zerado”, subtraindo-se o peso da própria correia. Multiplicando-se o peso pela velocidade da correia, tem-se a vazão instantânea.