Disciplina:Instrumentação e Controle de

Sistemas Mecânicos

Mensuração da VazãoParte 1

Medidores de Vazão

1. Tipo turbina2. Medidores magnéticos3. Medidores ultra-sônicos4. Placa de orifício / sensor de pressão

diferencial

• Medidores de vazão tipo turbina (Turbine flow meter)

Medidores tipo turbina

• Eficientes para líquidos e gases• A vazão do fluido é proporcional à velocidade de

rotação da turbina• Rotação é detectada por sensores de relutância,

capacitância, indutivos ou mecânicos• Relutância: as lâminas da turbina são feitas de

material magnético. No passar de cada pá por uma bobina magnética permanente, é gerado um pulso de voltagem na mesma. Cada pulso é indicativo da passagem de um volume específico de fluido

Medidores tipo turbina

• Indutivo: as lâminas da turbina são feitas de material magnético permanente. No passar de cada pá por uma bobina feita de material magnético, é gerado um pulso de voltagem na mesma. Cada pulso é indicativo da passagem de um volume específico de fluido

• A saída das bobinas são ondas senoidais contínuas com freqüência proporcional à vazão, de 20mV pico a pico. O amplificador de sinais deve ficar o mais próximo possível.

• Velocidade mínima mensurável: 1,6 m/s

Vazão gal/min

Coeficiente K: pulsos/gal

100

99

98

97

96

95

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

Vazão mínima para linearidade de +/- 0,25%

+0,25%

-0,25%

linearidade de +/- 0,15%

A

B

C

Máxima vazão linear

Fator K nominal 98,5

Medidores tipo turbina

98,5

• A vazão média do fluido deve estar entre 60 e 75% da capacidade do medidor

• Velocidades baixas (< 0,3 m/s) fornecem leituras enganosas• Velocidades altas (> 3 m/s) desgastam rapidamente o medidor• Queda de pressão máxima entre 3 e 5 psi na vazão máxima• A viscosidade afeta a precisão do aparelho. É importante calibrá-lo

para o fluido a ser monitorado• A densidade é um fator de pouca influência• A temperatura do fluido deve ser compensada• A turbulência é outro fator crítico. Reynolds deve ser mantido entre

4000 e 20000 (regime turbulento).

Medidores tipo turbina

Número de Reynolds

• Coeficiente adimensional para descrever o perfil da vazão de um fluido

• Re = D.v. / µ• D, diâmetro tubo [m]; v, veloc. fluido [m/s]; ,

massa espcf [kg/m3]; µ, viscosidade [Pa.s]• Re < 2000 : domínio da viscosidade (laminar)• Re > 4000 : fluxo turbulento

Diagrama de Moody

Instalação Cone concêntrico

Alinhador de fluxo

Proteção da bobina

Cone concêntrico

5 x D

5 x D2,5 x D

10 x D

D

vazão

• Na ausência de retificadores de fluxo, é requerido um trecho linear de tubo de comprimento de 15 diâmetros a montante e 5 a jusante.• A existência de válvulas, joelhos e tês antes do medidor aumenta para 20 a 30 diâmetros o trecho linear.• Na presença de partículas no fluido acima de 100mg/l e 75 microns : filtro a 20 diam.

Medidores de Vazão por Pressão Diferencial

• Tipo de medidor mais difundido (aprox. 50% na indústria)• Bernoulli: quando um fluido passa em uma restrição, ele

acelera e a energia para esta aceleração é obtida da pressão estática do fluido.

Placa de orifício

Os medidores mais comuns são do tipo placa de orifício, bocal e Venturi. Tipos de medidores por obstrução: a) Venturi, b) e c) bocais, d) placa de orifício e) cápsula porosa e f) tubo capilar

A equação da energia sem perdas, ou equação de Bernoulli, aplicada ao fluido escoando ao longo de uma linha de corrente, é dada por:

A validade do equacionamento é restrita a condições de escoamento permanente, incompressível, ao longo de uma mesma linha de corrente, sem atrito, sem diferença de cota z, e velocidade uniforme ao longo dos pontos ou seções de observação 1 e 2.

Vena contracta

Equação da continuidade:

Essa expressão é imprecisa pois não leva em conta o atrito do escoamento, e também porque a determinação de D2 não é prática. Para contornar a situação, emprega-se o diâmetro da obstrução Dt e um coeficiente adimensional de descarga Cd, para efetuar a correção dos problemas de atrito:

Para simplificar a equação:E – fator de velocidadeK – coeficiente de vazão

Tomada de leitura em canto de flange (corner taps)

Orifícios concêntricos

Coeficiente de vazão K para tomada de leitura com orifícios concêntricos(corner taps)

Tipos de bocais: (b) pressurizado e em (a) duto

Curvas de coeficiente de vazão para bocais com montagem em duto

Orifício ConcêntricoEste tipo de placa de orifício é utilizado para líquido, gases e vapor que

não contenham sólidos em suspensão.

Observação:Em fluidos líquidos com possibilidade de vaporização a placa deve ter

um orifício na parte superior para permitir o arraste do vapor. Em fluidos gasosos com possibilidade de formação de condensado o furo deve ser feito na parte inferior para permitir o dreno.

Placas de orifício do tipo concêntrico, excêntrico e segmental

Orifício ExcêntricoEste tipo de orifício é utilizado em fluido contendo sólidos em

suspensão, os quais possam ser retidos e acumulados na base da placa; nesses casos, o orifício pode ser posicionado na parte baixa do tubo, para permitir que os sólidos passem.

Placas de orifício do tipo concêntrico, excêntrico e segmental

Orifício SegmentalEste tipo de placa de orifício tem a abertura para passagem do fluido

disposta em forma de segmentos de círculo. A placa de orifício segmental é destinada para uso em fluidos em regime laminar e com alta porcentagem de sólidos em suspensão.

Placas de orifício do tipo concêntrico, excêntrico e segmental

Coeficiente de vazão K para tomada de leitura com orifícios concêntricos

104 105 106 1070,96

0,98

1,00

1,02

1,04

1,06

1,08

1,10

1,12

1,14

1,16

1,18

1,20

0,35

0,25

0,45

0,55

0,65

Coe

ficie

nte

k

Reynolds

0,75

Curvas de coeficiente de vazão para bocais com montagem em duto

1. Dimensione a capacidade mínima do manômetro, em função dos dados relacionados, considerando uma tomada de leitura com orifício concêntrico. Fluido, água (massa específica 999 kg/m3, viscosidade 0,001 Pa.s); vazão, 0,250 m3/s; diâmetro interno tubo, 0,4 m; diâmetro orifício calibrado, 0,25 m.

Exercício

Q 0,250 m3/s D1 0,400 m Ro 999,000 kg/m3 Dt 0,250 m Visc 1,00E-03 Pa.s

• Para o gráfico poder ser usado, é necessário obter ao menos duas das três grandezas que este relaciona:

• Número de Reynolds, a relação beta entre diâmetros e o coeficiente K.

• Neste caso, Reynolds e beta podem ser calculados com os dados de entrada:

Resolução

1DDt

11..Re

1

DVD

Resolução

625,0400,0250,0

1

DDt

1,989437

4400,0.250,0

2

AQV

51093,7001,0

4,09895,1999Re

625,066,0K

5108Re

Resolução

21.2.. ppAKQ t

21.2.

ppAK

Q

t

21

2.2

.pp

AKQ

t

2

21 .2

tAKQpp

Resolução

2

21 .2

tAKQpp

Papp 2990704909,066,0

250,02

9992

21

Resposta: O manômetro selecionado deve ser capaz de medir 30kPa. Como os instrumentos industriais normalmente tem sua melhor faixa de leitura entre 25% a 75% da escala, um manômetro com limite de escala de 50kPa pode ser considerado como adequado.

2. Dimensione um manômetro em mm de mercúrio, adequado para medir 30kPa. Massa específica do mercúrio: 13.546 kg/m3

• Resposta: 225 mm3. Dimensione o diâmetro mínimo do orifício

calibrado, considerando uma tomada de leitura com orifícios concêntricos. Fluido, Acetona (massa específica 790 kg/m3, viscosidade 0,000326 Pa.s); Vazão, 70000 litros/h; Diâmetro interno tubo. 0,1 m; Pressão máx. manômetro, 25 kPa.

• Resposta: 0,0671577 m

Exercício

Bibliografia

Egídio Alberto Bega, Gerard Jean Delmee, Pedro Estéfano Cohn, Roberval Bulgarelli, Ricardo Koch, Vitor Schmidt FinkelInstrumentação Industrial, Editora Interciência, 3ª Edição, 2011.

Bibliografia

Arivelto Bustamante FialhoInstrumentação Industrial, Editora Érica, 7ª Edição, 2010.