Professor Valner Brusamarello -

UFRGS

INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL APLICADA À INDÚSTRIA DE PETRÓLEO

Encontro V

Temas abordados no curso

• Encontro I

– Introdução e definições gerais

– Incertezas em medições

• Encontro II

– Aspectos gerais sobre conversores AD e DA

– Canal de medição e ruído eletromagnético

• Encontro III

– Medição de temperatura

Equação de Bernoulli

• Descreve relação entre velocidade, pressão e altura

Restrição em tubulação

Tubo de Pitot • O Tubo de Pitot é um instrumento utilizado para a medição de velocidades de

escoamentos tanto internos quanto externos, para líquidos ou gases.

• Pressão Estática – é a pressão real ou a pressão termodinâmica que atua no fluido. Pode também ser definida como a pressão acusada por um sensor que acompanha o fluido, com a mesma velocidade deste. É medida através do uso de um pequeno orifício executado na parede da tubulação ou de outra superfície alinhada com o escoamento, tendo-se o cuidado de que esta medição altere o mínimo possível o movimento do fluido.

• Pressão Dinâmica – é a pressão decorrente da transformação da energia cinética do fluido em pressão, através de uma desaceleração isoentrópica do mesmo.

• Pressão Total, de Impacto ou de Estagnação – é a soma da pressão estática com a pressão dinâmica. A sua medição é feita através de uma tomada de pressão voltada contra o escoamento e alinhada com as linhas de corrente, de forma a receber o impacto do fluido.

• Figura 1 – Leituras de pressões estática, total e dinâmica.

Tubo de Pitot • Utilizando-se a Equação de Bernoulli, tem-se

que as energias potenciais dos pontos 1 e 2 são idênticas e não necessitam ser consideradas. Assim, tem-se do lado esquerdo da equação (1), respectivamente, a energia cinética e a “energia de pressão” ou trabalho de escoamento do ponto 1. Do lado direito tem-se os mesmos termos relativos ao ponto 2. Como a velocidade no ponto 2, v2, é nula, tem-se do lado direito apenas o termo relativo à pressão, no caso, à pressão total ou de estagnação. Esta pressão é igual a pressão estática no ponto 1, adicionada àenergia cinética do escoamento no ponto 1, equação (2). Nestas equações ρ é a massa específicado fluido em escoamento.

Para a montagem da Figura 3 ou da própria

Figura 1(c), a velocidade obtida através da

Equação de Bernoulli será dada pela

Equação (3). sendo que ρf e ρm são as

massas específicas do fluido em

escoamento e do líquido manométrico,

respectivamente, g é a aceleração

gravitacional e h a altura lida no manômetro.

Fluxímetros comuns por pressão diferencial: orifício

• O orifício é um

método barato,

mas tem alguns

problemas por

introduzir perda

de energia devido

as turbulências

geradas pela

mudança brusca

da geometria.

Venturi e Bocal

• O Tubo de Venturi possui uma geometria um pouco mais complexa, mas os resultados ficam mais próximos do esperado que o orifício

O bocal tem características dos 2 primeiros métodos. É mais simples que o tubo de Venturi mas possui uma curvatura que diminui consideravelmente as turbulências.

Fluxímetros de área variável

Área mínima por onde o fluído passa varia com o fluxo.

Rotâmetro

Palheta móvel

Queda de Weir e Flume Dependendo da

abertura da queda a altura h varia

Queda de Weir e Flume

Fluxímetro de Deslocamento Positivo

Compartimentos que por arraste geram um movimento de rotação

Fluxímetro de Deslocamento Positivo

Fluxímetro de Deslocamento Positivo

Fluxímetro de Deslocamento Positivo

Fluxímetro tipo Turbina

Fluxímetro tipo Turbina

Fluxímetro tipo palhetas (impellers)

Fluxímetro tipo palhetas (impellers)

Fluxímetro Eletromagnético

Lei de Faraday: Quando um condutor movimenta-se por um fluxo eletromagnético, surge uma tensão elétrica induzida.

Fluxímetro Eletromagnético

Fluxímetro Eletromagnético

Restrições: O fluído deve ser condutor e não podem haver bolhas de ar

Fluxímetros Ultrassônicos

Fluxímetros Ultrassônicos

Fluxímetros Ultrassônicos

Fluxímetros por Efeito Vortex

A freqüência dos ciclos turbulentos gerados é proporcional ao fluxo

Fluxímetros por Efeito Vortex

Fluxímetros por fluxo de massa

A perda de calor está diretamente ligada a velocidade de deslocamento do fluído.

Fluxímetros por fluxo de massa

Fluxímetros por fluxo de massa

Fluxímetro por efeito Coriolis

O fluído penetra por uma entrada e faz um tubo com geometria determinada vibrar. A vibração deste tubo é dependente do fluxo.

Fluxímetro por efeito Coriolis

Fluxímetro por efeito Coriolis

Fluxímetro por força de arraste

Medição de nível Nível pode ser definido como a altura de preenchimento de um líquido ou de

algum tipo de material em um reservatório ou recipiente. A medição normalmente é

realizada do fundo do recipiente em relação a superfície ou um ponto de referência

do material a ser medido.

L h d

Sistema típico

Visualisadores • Indicação visual, sem saída elétrica

Método utilizando bóias • Uma bóia móvel é o principal elemento no sistema. Existem sistemas que

possuem mais de uma bóia contendo pequenos ímãs que sensibilizam sensores fixados em níveis (alturas conhecidas). Diferentes estratégias de medida podem ser implementadas com estes sistemas.

Efeitos de densidade

• Deslocador: O princípio de funcionamento é a força de empuxo exercida em um flutuador. Essa forma de medição é baseada na lei enunciada por Arquimedes: “Todo corpo mergulhado em um fluido sofre a ação de uma força vertical dirigida de baixo para cima igual ao peso do fluido deslocado”. A força de empuxo é definida como:

. . .E líquido submersoF g A l

Medidores Tipo Hidrostático

• a) Pressão diferencial

• b) Hidrostatic Tank Gaging – Um terceiro sensor é inserido para compensar eventuais mudanças de densidade – os sensores são avaliados por um computador

• c) Borbulhador: Um tubo injetando um gás. As variações na pressão do tubo são devido à variação de nível.

Método capacitivo • A variação do nível do material entre duas placas condutoras faz com que a capacitância

varie. No caso de placas paralelas:

• onde é a permissividade do isolante (reflete a habilidade para armazenar cargas) em e a distância de separação entre as placas do capacitor . A permissividade para um isolante é dada por:

i AC

d

i o r

A Figura ao lado ilustra um tanque e o capacitor cilíndrico equivalente, no qual o nível está sendo medido pela variação da capacitância. Pode-se observar um eletrodo de diâmetro , um isolante de diâmetro e um tanque de diâmetro . Desta forma a capacitância do sistema pode ser definida por: 0

32

1 1 2 2

2

1 1ln ln

LC

dd

d d

Método capacitivo

Condutividade

• A substância fecha contato entre dois ou mais eletrodos. Limitada ao número de eletrodos

Ultra-som • Medidores de nível por sinais ultra-sônicos utilizam freqüências entre 20 e

200 kHz. Alguns instrumentos, denominados sônicos utilizam freqüências menores que 10 kHz. O princípio de funcionamento deste método é medir o tempo de eco de um sinal enviado por um transdutor piezo-elétrico

Ultra-som

Por vibração

• Funciona como uma chave assim que o nível atinge os garfos.

Por radar • A palavra RADAR é a sigla de Radio Detection and ranging. O radar foi

primeiramente utilizado em aplicações militares com a intenção de detectar aeronaves ainda na década de 1930.

• O RADAR transmite uma onda eletromagnética em uma faixa de freqüência de 3 a 30 GHz. O tempo de eco do sinal é relacionado com a distância percorrida pelo sinal.

O RADAR por freqüência

modulada transmite um sinal contínuo de freqüência variável. Quando o sinal alcança a superfície do material, o mesmo é refletido em direção ao emissor. Ao invés de analisar o tempo de deslocamento, o receptor avalia a diferença de freqüência entre o sinal transmitido e o sinal refletido.

Radar

Atenuação de radiação

• Quando a radiação tipo gama passa por determinado meio, a mesma é atenuada. Esta atenuação depende apenas da fonte, do caminho de absorção e da densidade do meio. Uma vez que a fonte e a distância percorrida pelo feixe é constante, a medida é afetada apenas pela densidade do meio

Efeito Magnetostrictivo • Um pulso de corrente é aplicado no guia de ondas e um contador de tempo eletrônico é

disparado.

• - Devido ao efeito Wiedemann uma força de torção surge no local da posição do ímã permanente. Esta força produz uma onda de deformação, que trafega pelo material com a velocidade do som neste guia de ondas.

• - Quando a onda de deformação ou o pulso de retorno alcança o cabeçote do sensor, o mesmo é detectado e o contador de tempo é parado.

Laser

• Faz parte do grupo de medidores de nível (ou distância) que

utiliza o tempo de propagação, ou o atraso do feixe refletido.

Funcionamento semelhante ao ultra-som