Apostila de Treinamento Nível e Vazão

 Apostila de Treinamentos Treinamentos Introdução a medidores de nível

Eng. Marcelo de Assis Silva

Conteúdo

Capítulo 1 Medição e detecção de Nível Capacitivo. 1. 2. 3.

Principio de Medição Detecção de nível capacitivo Indicação de nível Capacitivo

Capítulo 2 Medição de nível condutivo. 1. 2.

Principio de Medição Maximo ou mínima detecção de nível

Capítulo 3 Medição de nível hidrostático 1. 2. 3.

Principio de Medição Aplicação prática   Montagem

Capítulo 4 Medição de nível ultra sônico 1. 2.

Principio de Medição Aplicação Prática  

Capítulo 5 Medição de nível tipo radar 1. 2. 3. 4.

Principio de Medição Med Me dição de Nível vel tipo Rad Radar em líquidos Critérios de seleção Aplicações

Capítulo 6 Medição de Nível tipo radar de onda guiada  1. 2.

Principio de Medição Instalação

Bibliografia 

Medição de Nível Capacitivo Principio de medição:

O principio de medição deste método é baseado na mudança de capacitância de um

. Capacitor. O Capacitor é um componente elétrico capaz de armazenar ou descarre-

gar uma carga elétrica. Um capacitor consiste consiste de duas placas condutivas condutivas separadas por um meio isolador conhecido como dielétrico.

 A capacitância entre as placas é determinada pela seguinte fórmula:

No qual: C = A capaci capacitâ tânci nciaa do capac capacit itor or em em pF. pF.  A = Área da superfície das d as placas em cm. D = distânc distância ia entre entre as placas placas em cm. cm. r = Permissibilidade Permissibilidade relativa relativa do meio dielétrico. dielétrico.  A constante dielétrica é uma indicação da extensão extens ão para o qual a capacitância capacitânci a do capacitor incrementará por adição de um material polarizado entre as placas do capacitor dando uma diferença de potencial através das placas. Por definição a constante dielétrica do ar é 1. Todos os outros materiais possuem uma constante maior do que 1, como demonstrado em alguns exemplos abaixo. r

 Água Querosene Farinha Cimento Grão

81* 1, 8 2 4 2,4

*O valor de 81 foi obtido teoricamente. Um valor de 31 é utilizado na prática.

Na fórmula (1) mostra que para qualquer capacitor no qual d e A são constantes, o valor da capacitância (C) dependerá somente do r. Na pratica para medição de nível capacítivo, o capacitor é formado pela parede do tanque do silo, etc. e uma sonda isolada montada no tanque ou ou na parede do silo. No caso de tanques ou paredes não condutivas não teremos problemas no funcionamento. Por exemplo, em colunas de concreto, o reforço do ferro é adequado para agir como uma placa do capacitor. Para tanques plásticos, um tubo de metal poderá ser colocado envolta da sonda ou uma tira de metal colocada do lado de fora do tanque. Como todos os produtos possuem uma constante dielétrica maior do que a do ar (r=1), o  valor da capacitância capacitânci a do sistema deverá ser sempre maior quando a sonda estiver coberta completamente pelo produto do que quando ela estiver parcialmente coberta ou exposta ao ar no interior do tanque. A medição de nível capacitivo é baseada na mudança de capacitâ citânc ncia ia (C). O capacitor é colocado em um circuito de corrente corrente alternada de alta freqüência de modo que a mudança na capacitância representa a mudança de nível e pode ser convertida em um sinal elétrico. RC = 1 / C (2) No qual RC = Reatância capacitiva  = 2?f ( f = freq freqüê üênc ncia ia da volt voltag agem em alte altern rnad ada) a). C = cap capaci acitân tância. ia. Na figura abaixo, o capacitor está conectado a uma fonte de corrente alternada AC, conhecido como oscilador de alta freqüência. A corrente que passa pelo circuito será diretamente proporcional ao valor da capacitância (C). Corrente alternada

Corrente medição

 A sua tensão varia aproximadamente aproximad amente de 3-12V ou pulso de 150-400Hz. Esta variação de tensão (U) e a variação de pulso ( F) é conv conver erti tido do em em operaç operação ão de relé para chaves capacitivas em sinal de 0-20 ou 4-20mA para medição continua de nível.

Detecção de nível capacitivo Detecção de nível refere-se a detectar um ponto fixo de nível e consiste basicamente na combinação de 3 componentes em uma unidade: • Sonda de medição • Unidade Oscilador HF • Amplificador  Amplificador com saída de de sinal. Um dos métodos de detecção de nível capacitivo é converter a mudança de capacitância em variação de tensão. A unidade osciladora é conectada ao amplificador. Quando há uma mudança na diferença de potencial o mesmo é convertido pelo amplificador em uma operação relé. A capacitância inicial de diferentes dispositivos de medição nunca são as mesmas. Quando a sonda é descoberta o oscilador oscilador produz um sinal em tensão (V), (V), no qual qual o valor deste sinal sinal dependerá dependerá da capacitânc capacitância ia inicial inicial ( Ci ). O potenciôm potenciômetro etro A então então é usado usado para  ajustar o amplificador não energizando completamente o relé. Quando a sonda é coberta, a capacitância aumenta e será ( Ci ) + ( C ), capacitân capacitância cia inicial inicial mais a   variação de capacitância capacitância e a diferença diferença de potencial potencial (V) + ( @ V). Assim a mudança na  diferença de potencial potencial direciona direciona o amplificador amplificador a energizar o relé.

Indicação de Nível Capacitivo Indicação de nível capacitivo se refere a medição contínua de nível de um produto em um tanque ou silo. O sistema de medição consiste dos seguintes componentes: • Sonda  • Unidade oscilador HF • Amplificador  Amplificador com saída analógica analógica de corrente corrente ( 4-20 mA mA ) ou tensão. Como na detecção de nível, a mudança na capacitância ( C) em um indicador de nível também é convertido no oscilador em uma diferença de potencial. O potênciometro A é usado para ajustar o amplificador amplificador para 0% quando tivermos uma capacitância inicial (Ci) ou tanque vazio.

Quando o tanque tanque ou o silo encher, encher, a capacitância capacitância será Ci + C e a nova vo voltagem será V + @ V . Esta mudança na voltagem ( @ V ) é amplific amplificada ada e convertid convertidaa em um sinal sinal padrão padrão de 4-20 4-20 mA mA.. O Poten Potenciô ciômet metro ro B é usado usado para para o ajuste ajuste do span span ou 100% 100% (valor de 20 mA).

Medição de nível condutivo Detecção de Nível Condutivo O principio de medição medição de nível por condutividade condutividade de um produto, baseia-se na  mudança da resistência entre dois condutores.  A detecção do do nível por condutividade condutividade elétrica elétrica dos líquidos líquidos em um tanque tanque de metal metal ou outro container pode ser obtido simplesmente através de uma sonda isolada do  vaso e um amplificador amplificador de condutividade. condutividade. Quando o produto não esta em contato com a sonda, a resistência elétrica entre a  sonda e a parede do tanque é muito alta ou quase infinita. Quando o nível do produto sobe até completar o circuito com a sonda e a parede do tanque, a resistência será  relativamente baixa. Uma baixa resistência implicará uma corrente de medição mais elevada.

Detecção de Nível máxima ou mínima   A diferença em resistência pode pode ser detectada detectada por meio meio de um ajuste seleletivo seleletivo no amplificador e pode ser usado para alarme ou controle via relé, fornecendo um contato livre. Um bom aterramento de referência deve ser providenciado para  tanques de material não condutivo. Isto pode ser uma tubulação de alimentação, um suporte de montagem ou ou uma segunda sonda. Em certos casos, casos, uma sonda multipla é usada e um a destas sondas atuará como uma conexão de terra.  A corrente alternada alternada é aplicada na sonda para prevenir prevenir oxidação resultante da  eletrólise. O circuito básico é dado abaixo:

 A resistência do produto Rx é conectada a uma ponte de Wheatstone Wheatstone via sonda e conexão de aterramento. aterramento. O potenciômetro potenciômetro Rv é usado para balancear a ponte, ponte, com isso o relé não esta energizado. Quando o produto alcança a sonda, o valor de Rx mudará e a ponte ficará desbalanceada. desbalanceada. Isto fará com que o relé seja energizado. Chaves condutivas padrões possuem um range de ajuste de aproximadamente 01,5Kohm ou 0-50Kohm e um contato livre de potencial potencial como saída. saída. Uma versão para baixa resistência é solicitada para uso com processos e produtos no qual uma resistência residual significante pode ser medida na sonda após ter sido emergida no liquido no qual produz uma superfície espumosa ou viscosas. Nota: Uma medição simples simples é tudo que é requerido requerido para verificar que um produto é suficientemente condutivo condutivo e permitir que uma chave condutiva seja usada. Uma  pequena corrente alternada de um transformador é aplicado a uma haste de metal para simular uma sonda e a parede do tanque, preferivelmente na mesma posição e distância da parede do tanque que a sonda. Com aproximadamente aproximadamente 50 mm de imersão da haste no produto, a corrente e a voltagem podem ser medida e a atual resistência do produto calculada de acordo com a fórmula: R em ohm= ohm= V em volts / I em Ampers Ampers

Medição de Nível Hidrostático Principio

Neste método o principio é baseado na medição de pressão hidrostática procedida por uma coluna coluna de líquido a uma uma determinada determinada altura. altura. A pressão pressão é calculada usando usando a fórmul fórmula; a; P=h..g onde: P = pressã ssão h = altura altura da coluna coluna liquida liquida g = acele aceleraç ração ão da grav gravida idade de = densidade relativa Nesta fórmula podemos observar que a gravidade específica do meio não varia, a  variável na fórmula será somente a altura h. A pressão medida será diretamente proporcional a altura h, isto é, o nível do líquido no tanque.

O diagrama também ilustra ilustra que que a pressão pressão medida é igual igual a pressão da coluna líquida mais a pressão na superfície.  A pressão na superfície em tanques abertos para p ara a atmosfera será zero. Esta pressão na superfície é geralmente insignificante, por que a maioria dos sensores de pressão possuem compensação para atmosfera. Se a pressão na superfície do líquido é maior do que a pressão atmosférica, então a pressão será maior do que a cabeça da coluna liquida. Neste caso, a pressão que atua na superfície é subtraída da pressão total, deixando somente somente a pressão da coluna liquida.

 Aplicação Prática

Transdutores de pressão hidrostáticos consistem normalmente de uma membrana o qual é mecanicamente ou hidraulicamente conectado ao elemento sensor podendo ser baseado baseado em um principio indutivo, indutivo, capacitivo, célula de carga ou semicondutor. semicondutor. Neste caso só mencionamos o principio de célula de carga em multi-camadas semicondutor semicondutoras. as. A Mudança na pressão pressão cria uma mudanças na célula de carga ( resistência) do transdutor no qual é convertido em um sinal de medição no préamplificador. Isto é transmitido por sua vez a um amplificador remoto que fornecerá uma saída 4-20 4-20 mA ou um sinal digital digital fieldbus. fieldbus.

Montagem

Como o sensor de pressão tem que ser exposto a uma pressão para determinação do nível, o sistema é montado próximo ao fundo do tanque. Se o medidor não puder ser montado na parede, o mesmo pode ser instalado no topo do tanque com um cabo ou uma haste com uma profundidade apropriada. Versões com cabo de extensão também estão disponíveis para reservatórios e poços de grande profundidade.

Se o sensor estiver montado em pescoços extensos ou longas tubulações, o cuidado deve ser tomado para que o meio não cristalize cristalize ou endureça no tubo. Se isto vier a ocorrer, então a pressão não será transmitida por muito tempo para a membrana e portanto não poderá ser medida. Para prevenir isto qualquer uma dos diferentes sistemas de montagem montagem que seja escolhida ,pescoço ou tubo, deverá ser aquecida. Montagens no topo ou na parede são sempre recomendadas para finalidades de monitoramento e calibração.  Abaixo segue alguns modelos de instrumentos para medição de nível hidrostático.

Medição de nível ultra sônico Principio de operação

Na medição de nível ultra-sônica, o principio de operação é baseado na medição do tempo de vôo de um sinal acústico transmitido e recebido de um mesmo sensor após refletir em uma superfície líquida ou sólida.

 Aplicação prática

O tempo de vôo de um pulso ultra-sônico é uma medida direta da altura do produto em um silo ou tanque. A distância trafegada pelo pulso em metros é igual ao tempo de  viagem do pulso em segundos multiplicado pela velocidade do som s om em metros por segundo. O som ultra-sônico viaja a uma velocidade de aproximadamente 331 m/s no ar a 0 oC e independente da freqüência e pressão do ar. Entretanto isto depende da temperatura do ar, então um fator de 0,17% / oC na temperatura deverá ser aplicado em todos os sistemas. Portanto teremos diferentes velocidades aplicadas em outros gases e vapores. Exemplo: A velocidade do som s om no nitrogênio é 349 m/s. Para o ar a 20 oC, a velocidade do som é de 343 m/s. O sistema de medição medição consiste de um transmissor, sensor e um amplificador responsável pelo sinal 4-20mA. Este sinal 4-20 mA é proporcional ao nível medido. O sensor consiste de uma membrana membrana de medição conectada a um ou mais cristais piezo elétrico para transmissão e recepção do sinal sonoro. Quando aplicamos energia elétrica no cristal piezo elétrico, o mesmo produz pequenos movimentos mecânicos que é convertido através de uma membrana produzindo sinais acústicos. Similarmente, o movimento mecânico produzido no cristal por ondas sonoras refletidas é convertida em um pequeno sinal elétrico, ex.: o retorno do pulso sonoro. A diferença de tempo entre a transmissão transmissão do sinal sinal original original e a recepção do retorno retorno do do sinal é o tempo de viagem, viagem, ex: O tempo de percurso da onda entre a transmissão e recepção do sinal, é duas vezes a altura da parte parte vazia do tanque ou silo. silo.

Critério para seleção de um eco apropriado Distância a ser medida

Este é o primeiro fator a ser considerado. Uma tabela de especificação ou outra documentação e dados do processo deverá ser consultada para uma escolha de diversos tipos de transmissores e sensores. Um sistema desenvolvido para alta precisão e curtas distâncias não será potente o bastante para longas distâncias.

Composição e propriedades da superfície do produto

É inerente neste neste tipo de sistema que pelo menos uma parte do sinal ultra sônico transmitido tem que ser refletido da superfície do produto. Se existe uma camada de espuma na superfície do líquido ou se o volume de material é composto de finos grãos, então menos energia será refletida e portanto uma quantidade maior de energia energia é solicitado para conseguir a mesma distância de medição. Também, para receber um retorno correto de eco do sinal em sólidos, as partículas devem ser de um tamanho determinado. Como a superfície dos sólidos são raramente horizontal, O retorno de reflexão do eco tem que vir de partículas individuais. O tamanho de uma partícula para uma reflexão difundida depende da freqüência de medição. Portanto este parâmetro juntamente com a montagem do sensor tem que ser examinado no cliente para um funcionamento apropriado do sistema de nível ultrasônico.

O surgimento de pequenas camadas ocasionais de espuma não afetarão na medição. Somente camadas densas de espuma irão absorver toda a energia ultra-sônica e não haverá retorno do sinal de eco. Em caso de espuma densamente pesadas, o retorno dp eco não será da superfície do líquido mas sim da superfície da espuma.

Condições de medição

O sinal transmitido e o sinal refletido do sensor devem passar através da atmosfera no interior do tanque ou silo. Todos os fatores que provavelmente enfraquecem ou interferem no sinal por absorção ou reflexão, devem ser cuidadosamente examinados para que possa ser escolhido um sistema mais apropriado. Estes fatores incluem a presença de sujeiras, vapor, pressão, temperatura e variações na composição de gases. Os fatores mais importantes são descritos abaixo:

Pressão

Os sistemas de medição ultra-sônicos, são insensíveis a variação de pressão. Não haverá nenhuma variação significativa na velocidade do som a uma pressão de 3 bar. Entretanto há 2 limitações com respeito a pressão. Primeiramente, a máxima pressão de 3 bars é puramente uma uma limitação mecânica. Em pressões muito altas, a membrana não pode mover-se em sua extensão total devido a força exercida sobre ela. Por outro lado em pressões abaixo 760 mm de mercúrio o sistema não opera na propagação do sinal, ex: água ou gás não é longa o bastante para transmitir o sinal acústico em um  vácuo parcial.

Temperatura

 Variações na temperatura afetarão o tempo de transito tr ansito de uma onda sonora em 0,17% / oC. Cada sensor ultra-sônico possui um sensor de temperatura que compensa eletronicamente as variações de temperatura.

Composição de gás

 A velocidade de propagação de ondas sonoras s onoras no ar a 20 oC é 343 m/s. A velocidade de propagação irá variar em outros gases e vapores. Por exemplo, a velocidade do som no nitrogênio é 349 m/s. Tempo de transito transito = (2 x distância distância a ser medida) / velocidade velocidade do som Em um tanque de 8 metros de altura teremos: C ar = 16 (m)/ (m)/ 343 (m/s) onde C ar = 0.0466 seg. C nitrogênio = 16 (m) / 349 (m/s) onde C nitrogênio = 0.0458 seg. O amplificador sempre processa o sinal de eco baseado na velocidade do som no ar. A  distância total percorrida no nitrogênio será 15,7 metros, dando desta forma uma distância medida de 7,85 metros. Isto acarreta em um erro de ((8 – 7,85) / 8) x 100% 100% = 1,9 %.

Montagem

O sensor deve ser montado na melhor melhor posição possível para que o sistema de eco funcione corretamente, sem obstrução entre o produto e a superfície do sensor. Escadas de acesso, elementos de imersão, agitadores, bombas internas, entrada ou queda de produtos podem produzir interferências no eco.  Verifique sempre o limite de distância de d e bloqueio dos sensores, que é a mínima distância entre o sensor e a superfície a ser medida. A distância de bloqueio é definida como a distância na qual o sensor não consegue distinguir o sinal transmitido e o sinal refletido pela superfície.

Medição de nível tipo radar Principio

O nível em um tanque ou silo pode ser determinado pela medição medição do tempo de vôo vôo de um impulsos de microonda. Em líquidos, os os impulsos de microondas são emitidos e recebidos recebidos por por uma antena. antena. Microond Microondas as ou radar ( Radio Detecting Detecting and Ranging Ranging ) é usado em aviação, marinha e aplicações militares.

Medição de nível tipo radar em líquidos l íquidos

O transmissor transmissor de nível, nível, trabalha trabalha de acordo acordo com método método eco – impulsos. impulsos. Impulsos de ondas curtas de 0,8 ns de duração são direcionadas para os produtos por uma haste ou antena, onde são refletidos de uma superfície e detectados pelos mesmos arranjos, agora atuando como um receptor. A distância para a superfície do meio é proporcional ao tempo de propagação dos impulsos da onda. D = c. t/2 D = distância distância transmisso transmissorr / superfície superfície do produto produto C = velo veloci cidad dadee da da luz luz t = tempo de propagação propagação da onda onda em em segundos segundos

Medição tipo radar é virtualmente independente de temperatura, pressão / vácuo e presença de poeira ou vapor. Os impulsos de microondas trafegam na  velocidade da luz e não são afetados por p or nenhuma propriedade do vapor. Comparando o ultra-som que são impulsos gerados mecanicamente por movimento de ar que são refletidos por propriedades mecânicas do meio, o principio de microondas difere por propagação de ondas eletromagnéticas no qual são refletidos por uma mudança na impedância ( Constante dielétrica do meio ).  A constante dielétrica deve ter um valor mínimo de 1,4 em tubo de calma. Porém Po rém 1,9 é um valor aceitável. Para produtos condutivos (>10 (>10 mS/cm), a medição é totalmente independente da constante dielétrica.

Critérios de seleção

 A seleção de um radar apropriado apropri ado é dependente dos dados de aplicação: aplicaç ão: 1. Resis Re sistê tênc ncia ia químic química, a, pressã pressãoo de de pro proce cesso ssoss e a tem tempe perat ratur uraa que que det deter ermi mina na o material da flange e da antena. 2. Rang Rangee de de med mediçã içãoo des deseja ejado do e con condiç diçõe õess de de pro proces cesso so tal tal com comoo con consta stant ntee dielétrica, espuma, ondas ou vórtices determina o tamanho da antena. 3. Tipo Tipo de tanq tanque ue ( est estoc ocag agem em ou proce processo sso ) e mont montag agem em ( espa espaço ço livr livre, e, tub tuboo de de calma calma ou bypass bypass ). 4. Precisã isão requ queerida e apro provação ção Ex.

 Aplicações

Os instrumentos de nível tipo radar são utilizados onde as vantagens do não contato na indicação de nível são necessário e onde os medidores de nível tipo ultra som não podem ser utilizados devido a condições de processo como alta pressão, baixa pressão, alta temperatura ou composição do ar.

Radar tipo onda guiada Principio

O principio principio de funcionamento funcionamento de de um radar de onda onda guiada é enviar enviar pulsos de radar radar em um cabo, e quando estes pulsos captam a mudança de impedância o sinal retorna para o transmissor. O radar tipo onda guiada guiada é capaz de medir uma escala larga de sólidos sólidos até grãos de tamanho de 20mm 20mm que tenham uma constante dielétrica com valor de 1.8 ou mais. Os mesmos não são afetados por umidade ou mudanças de temperatura ou pressão.  Alta concentração de poeira, vapor, ruídos acústicos a cústicos não afetarão a medição. medi ção. Radares de onda guiada também são utilizados na medição de líquidos que também possuam uma constante dielétrica maior do que 1.8. Os critérios de seleção e aplicações para um radar de onda guiada é praticamente o mesmo em relação ao radar de onda livre, observando apenas as restrições quanto instalações.

Instalação

• Observar que o instrumento instrumento deverá ser instalado com pelo menos uma distância de 30 cm da parede do silo ou tanque. • O máximo range de medição é limitado limitado pelo máximo máximo comprime comprimento nto do cabo do instrumento. • Evite instala instalarr o medidor próximo próximo a entrada entrada de produtos produtos para que não haja interferência na medição. • O ponto de zero zero ( 4 mA ) deve estar estar programado programado com pelo pelo menos menos 35 cm acima da ponta do cabo.

Bibliografia The The theor heoryy and and prac practtice ice of leve levell measu easure rem ment  ent  ( Wi Winn van de Kam Kampp ) – Endr Endres ess+ s+H Hause auserr

Informações  www.endress.com.br  www.en dress.com.br Informações sobre aplicações higiênicas  www.ehedg.org   www.ehedg.org   www.fda.gov   www.3-a.org   www.3-a.o rg   www.nsf.org   www.nsf.or g   www.iafis.org   www.worldfoodnet.com  www.wo rldfoodnet.com Informações sobre proteções ( ATEX )  www.epsilon-ltd.com  www.epsilon-ltd.com  www.csa-international.org   www.csa-inte rnational.org   www.explorisk.com  www.explo risk.com  www.iceweb.com.au/home.html  www.icewe b.com.au/home.html Endress+H Endress+Hauser auser Controle Controle e Automação Automação Ltda  Av. Pedro Bueno, 933 – Parque Jabaquara São São Pau Paulo lo – SP CEP: 04342-010 Tel: +55 11 5033-4333 Fax: +55 11 5033-4334 Informações: [email protected]

 Apostila de Treinamentos Treinamentos Introdução a medidores de vazão

Eng. Marcelo de Assis Silva

Conteúdo

Capítulo 1 Medição de vazão eletromagnética  eletromagnética  1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Principio de Medição Vantagens Desvantagens Tubo de medição Revestimento Sistema de bobinas Eletrodos

Capítulo 2 Medição de vazão tipo Coriolis. 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Medição mássica de vazão Principio de medição Medição de densidade Medição de temperatura   Vantagens Desvantagens

Capítulo 3 Medição de vazão tipo vortéx. 1. 2. 3. 4.

Principio de Medição Sensores Vantagens Desvantagens

Capítulo 4 Medição de vazão tipo ultra sônico 1. 2. 3. 4. 5.

Principio de Medição Método Doppler Méttodo difere Mé erencial temp mpo o de transito Vantagens Desvantagens

Capítulo 5 Medição de vazão thermal 1. 2. 3.

Principio de Medição Principio por dispersão térmica  Principio perfil térmico

Medidores eletromagnético eletromagnéticoss Principio de medição

O físico inglês inglês Michael Michael Faraday Faraday descobriu descobriu que cargas elétricas elétricas estão estão induzidas induzidas em uma haste condutora de metal de comprimento (L) movido em uma velocidade (v) através de um campo magnético (B) e consequentemente uma voltagem (Ve) de alguns alguns milivolts milivolts será gerada gerada entre entre as extremidades extremidades da haste. haste. Faraday Faraday também descobriu que a magnitude da voltagem induzida nesta maneira é diretamente proporcional a velocidade (v) de movimento e a força do campo magnético (B).

 Ve = B.L.V   Ve = Tensão induzida B = Camp Campoo magné magnétic ticoo L = comprim compriment entoo do conduto condutorr elétric elétricoo  V = velocidade do movimento do condutor.

Em uma medição magnética, o fluído condutivo passa dentro do tubo de medição, correspondendo a haste metálica no experimento de Faraday. O campo magnético de força constante é gerada por 2 bobinas , uma de cada lado do tubo de medição. Dois eletrodos instalados ao lado da parede do tubo, detectam a voltagem gerada pelo produto que flui através do campo no interior do tubo. O tubo de medição é eletricamente isolado do fluído e o eletrodo com um forro não condutivo (ex. borracha ou teflon).

Qv = v.A = (Ve/ (Ve/ B.L).A  B.L).A  Onde: Qv = vazão vazão volumétrica volumétrica  A = seção transversal do tubo  Ve = Tensão induzida na medição mediç ão B = Camp Campoo Magn Magnét étic icoo Portanto a voltagem induzida é diretamente proporcional a velocidade da vazão do fluído.

Principio de medição de vazão eletromagnética.

Na pratica, há um número de tensões de interferência interferência que tem que ser filtradas para que os eletrodos de medição não venha utiliza-los nos cálculos.Típicas fontes de interferências, incluído o campo magnético da terra, cargas eletrostáticas nas paredes do tubo e no fluído, bem como efeitos galvânicos na superfície entre os eletrodos e o fluído.  A maior vantagem deste principio de medição é que o mesmo não é afetado por pressão, temperatura ou viscosidade.

 Vantagens

• Este principio é virtualmente independente da pressão de processo, temperatura e  viscosidade. • Grandes Grandes diâmetros são disponíveis disponíveis nesta nesta aplicação.

• Sem perda perda de carga carga • Tubo de medição em linha linha reta sem partes partes móveis. móveis. • Boa estabilidade estabilidade a longo prazo, grau elevado elevado de reprodutibilidade. reprodutibilidade.

Desvantagens

• Somente Somente fluídos condutivo condutivoss podem ser medidos • A medição apresenta menor precisão e mais dificuldade em fluídos que apresentam condutividades fracas, ex. água desmineralizada. • Depósitos dentro do tubo de medição ou nos eletrodos podem causar erros.

Tubo de medição (a) É importante que o tubo de medição não tenha nenhuma obstrução obstrução ou distorção no campo magnético magnético.. Os materiais materiais frequentemen frequentemente te mais utilizados utilizados são são aço inóx e plastico.

Revestimento (b) O revestimento é necessário para fazer a isolação entre os eletrodos e o tubo de medição. O mesmo deve resistir fisicamente e quimicamente o fluído. Poliuretano, borracha dura e PFA / PTFE ( ex. teflon ) são os materiais mais utilizados.

Sistema de bobinas (c) O campo magnético é gerado gerado por 2 bobinas de fios de cobre montadas do lado externo do tubo. Ambas excitações DC e AC são utilizadas.

Eletrodos (d1-d3) -Eletrodos de medição (d2 e d3), para detecção da tensão induzida. -Eletrodo de referência ou terra ( d1 inferior ). -Eletrodo de detecção de tubo vazio ( d1 superior).

Medidor de vazão tipo Coriolis Medidores mássicos de vazão

Em muitos setores da industria, é melhor medir vazão mássica do que vazão  volumétrica. Em processos alimentícios, por exemplo, produtos como pasta, polpas e  yogurtes são geralmente medidos em bateladas de peso e não de volume. Em algumas embalagens destes produtos é possível visualizar o peso e não o volume da embalagem. embalagem. Um dos fatores para que isto ocorra é que o volume de muitos fluídos fluídos podem variar após sofrer influências físicas como, pressão, temperatura e densidade.  A massa de um fluído não é afetada afetad a por estas influências e por isso a medição em massa possui algumas vantagens que a medição volumétrica não possui. Este é um aspecto importante para medições fiscais em batelada e medição de fluídos.  A massa de um corpo é geralmente determinada pelo peso. Do ponto de vista de engenharia, há mais dificuldades de serem superadas ao pesarmos uma massa que esteja fluindo continuamente através de um tubo. Esta é uma das razões por que em décadas recentes tem se visto a importância de um sistema de medição que permita a medição direta e continua continua da vazão mássica – a saber medição mássica pelo principio de Coriolis. Em algumas aplicações faz mais sentido aplicar este principio do que determinar massa indiretamente pela medição de vazão volumétrica e densidade.

Principio de medição

 A descrição deste principio é atribuída atribuí da ao físico e matemático Francês Gaspar Gustave de Coriolis. O efeito ocorre ocorre somente em sistemas em rotação, mas não deve ser confudido confudido com força força centrífuga. centrífuga. Despeito do fato de que o termo “força de coriolis” esta em uso difundido, isto é frequentemente difícil descrever esta força, muito menos explica-la.  A força de Coriolis esta sempre presente quando os movimentos lineares e ações rotatórias são superimpostas dentro de um sistema. Na ausência do movimento linear somente ocorre força centrifuga na pessoa. Em termos matemáticos, a força Coriolis (Fc) é diretamente proporcional ao movimento da massa (m), velocidade do rotação ( ) e a velo velocid cidad adee rad radial ial (Vr) (Vr) no sistema de rotação. Fc = 2.m 2.m...Vr Para um melhor entendimento iremos demonstrar praticamente como surge a força de Coriolis.

Uma pessoa encontra-se parada no centro de uma placa circular giratória. Neste momento a placa esta girando em uma velocidade velocidade angular. A pessoa esta sendo influenciada neste momento por uma força centrífuga ( desenho a esquerda).  Agora a pessoa começa a caminhar ca minhar para frente (do centro para a lateral da placa) em uma velocidade radial deixando seu estado de inércia no centro da placa. Como a placa encontra-se em uma velocidade angular e a pessoa caminhando em uma velocidade radial, o corpo desta pessoa sofrerá uma força chamada força de Coriolis.

Em Física clássica, distingue-se distingue-se a força de Coriolis Coriolis fictícia, ou inercial, inercial, devido ao fato desta existir somente num referencial acelerado, caso no qual um movimento circular é submetido a uma aceleração centrípeta. Neste caso, a força de Coriolis é similar similar à força centrífuga, centrífuga, e como como a força força centrífuga, centrífuga, a força força de Coriolis Coriolis manifesta-se somente em referenciais em rotação. No entanto, a força de Coriolis depende da velocidade do corpo em movimento, e é nula, por definição, no caso de um corpo imóvel em um referencial em rotação. A força centrífuga, por sua  vez, depende da posição do corpo em relação ao centro de rotação. Pode-se assim dizer que a força centrífuga é o componente estático da força inercial se manifestando no referencial referencial em rotação, enquanto que a força de Coriolis é o componente dinâmico.

Em caso de medidores de vazão mássico, quando o fluído esta parado, não há movimento linear e consequentemente não ocorre força Coriolis. Uma vez que a massa começa a fluir, o movimento o movimento induzido pela oscilação (= rotação ) em um tubo de medição é imposto ao movimento linear no fluído de vazão. vazão. A força Coriolis causa uma torção nos nos tubos de medição (b,c). (b,c). Sensores (a,b) na entrada e saída do tubo registram a diferença de tempo deste movimento ou em outras palavras, registram a diferença da fase. Quanto maior for a  vazão mássica, maior m aior é a diferença de fase. f ase.

 Abaixo podemos ver a força de Coriolis através da geometria dos tubos. Quando temos um fluido em movimento, as partículas se movem através do tubo de medição e são impostas a uma aceleração lateral devido a força de Coriolis. Quando as partículas de massa entram no tubo, elas desviam do centro de rotação do mesmo, retornando ao centro quando o mesmo se aproxima novamente da extremidade do tubo. Consequentemente Consequentemente a força Coriolis atua em direções opostas na entrada e saída iniciando uma torção no tubo. Esta mudança na geometria dos tubos de medição é registrado como uma diferença de fase pelos sensores (a,b) em cada final de tubo. Esta diferença de fase é diretamente proporcional a massa do fluído e a velocidade do mesmo.

Medição de densidade

Os tubos de medição são continuamente continuamente excitados em um freqüência de ressonância.  Assim que a densidade do fluído fluíd o mudar e consequentemente a massa do sistema, a freqüência de excitação é ajustada conformemente. Esta freqüência de ressonância esta em função da densidade do fluído e pode ser usada como um adicional na saída de sinal.

Medição de temperatura

 A temperatura dos tubos de medição é determinada em ordem para pa ra calcular o fator de compensação devido aos efeitos de temperatura. O sinal corresponde a temperatura do processo e também pode ser usada como saída de sinal.

 Vantagens

•Universalme •Universalmente nte aplicavel aplicavel para medição medição de vazão liquidos liquidos e gases. •Medição direta de massa. ( Não necessita compensação de pressão e temperatura) •A medição principal é independente independente da viscosidade e densidade do fluído. •Alta precisão na medição. •Conceito de sensor multivariavel: medição simultânea de vazão mássica, densidade e temperatura ao mesmo tempo. •Sem necessidade de trechos retos antes e depois do medidor.

Desvantagens

•Investimento inicial relativamente alto. •Range de temperatura limitados: tipicamente -50 oC a +350 oC. •Utilização restrita em caso do fluído conter grande quantidade de gás no caso de fluídos com multi fases. •Grandes tamanhos são pesados em alguns designs.

Medidores tipo Vortex Principio de Medição

Este principio de medição é baseado no fato de que vórtices são formados nos obstáculos que os fluídos encontram em seu percurso em um rio, ou em uma tubulação fechada ou uma canaleta aberta. Este fenômeno pode ser observado olhando o rio chocar-se chocar-se com o pilar pilar de uma ponte por por exemplo. exemplo. A frequência frequência de vórtices vórtices de cada lado do pilar é proporcional a velocidade da vazão e portanto a vazão  volumétrica.

 A esquerda podemos observar os vórtices formados pelo choque da água águ a com o pilar da ponte. A direita vemos uma foto do satélite mostrando os vórtices formados pelas nuvens ao chocar-se com o pico de um vulcão. Em 1878, Strouhal estava tentando descrever em forma cientifica os redemoinhos redemoinhos que se formam atrás do corpo. Seus estudos revelaram que um fio firmemente esticado em um jato de ar, oscilará. Este fenômeno pode ser observado em um carro ou uma casa: O assobio do vento é causado pelos vórtices que aumentam ou diminuem conforme a variação da velocidade do vento. O número número Strouhal Strouhal é usado no contexto contexto de relação relação entre a freqüência freqüência de vórtices, vórtices,  velocidade de vazão e diâmetro di âmetro do corpo. St = f.d f.d / v  Onde: St= número Strouhal f= freqüência vórtices  v= velocidade de vazão d= diâmetro do corpo

Principio de medição dos medidores de vazão tipo vortéx d = diâmetr diâmetroo do corp corpoo / obstác obstáculo ulo f = freq frequê uênc ncia ia de vor vorti tice cess  v = velocidade de vazão L = distânc distância ia entr entree vort vortice icess O fluxo alcança alcança sua velocidade velocidade máxima na parte a mais larga do corpo e perde subseqüentemente alguma velocidade. velocidade. Isto causa uma baixa pressão localizada produzindo um contra fluxo e consequentemente vortices. Os obstáculo obstáculoss comumente comumente chamados chamados “bluff “bluff body” nos medidor medidores es vortex vortex variam de fabricante para fabricante e podem ter diversas formas como retangular, triangular, delta, redondo, etc. Este design deve ser tal que o número Strouhal permaneça constante acima do range de medição, em outras palavras, a freqüência de vórtices é independente de pressão, temperatura e densidade. Este range constante (Re>20000) que é utilizado para medição volumétrica com medidores vortex.

Exemplo: Um medidor de vazão tem um fator K de 10 pulsos por litro, então cada pulso gerado de vórtice corresponde a um volume de 0.1 litro independente deste fluído ser água,  vapor ou outro fluído.

Sensores

Os medidores tipo vortex vortex consiste de vários componentes, componentes, incluindo tubo de medição, bluff body, sensor, sensor, pré amplificador amplificador e eletrônica eletrônica.. Na maioria dos medidores medidores,, o sensor não possui partes móveis e não são objetos para desgastar ou requerer manutenção. Os vórtices vórtices produzidos produzidos pelo bluff bluff body cria uma pressão pressão flutuante flutuante local local na vazão na qual pode ser medida pela variação do sensor e convertida em sinais elétricos. O Sensor Sensor tipo tipo DSC ( Differe Differential ntial Switched Switched Capacitor Capacitor ) utilizado utilizado pela Endress+Hau Endress+Hauser ser é formado por um eletrodo eletrodo central (c) que quando sofre a ação de um vortéx de pressão flutuante em sua haste (a), varia de um lado para o outro. Com isso forma capacitores C1 e C2 junto com as paredes externas do eletrodo (d) . A mudança de largura de abertura produzida periodicamente varia a mudança em capacitância. Essa mudança é proporcional a pressão diferencial do vortex no qual é processado pela eletrônica.

 As vantagens primárias do sensor DSC são: • Resistente Resistente a choques choques de temperatura temperatura • Resistente Resistente a golpes golpes de água • Não é afetado afetado por vibrações vibrações nas tubulaçõ tubulações. es. A distância entre entre o centro centro do eletrodo eletrodo e os eletrodos eletrodos externo externoss não são influenciados influenciados pela pela aceleração dos dos efeitos causados causados por  vibrações. A haste sensora e o centro do eletrodo são exatamente balanceados, portanto as forças de aceleração produzidas por vibração sempre atuam no centro de gravidade do sistema sensor e consequentemente não geram vibrações adicionais nos sinais de medição.

 Vantagens

•Universalmente aplicavel para vazões volumétricas volumétricas de vapor, líquidos e gases. •Não afetado por mudanças na pressão, temperatura e viscosidade. •Simples instalação •Grande range nominal de diâmetros di âmetros (DN 15 até DN 450) •Sem partes móveis •Range de temperatura: -200 a +400 oC •Linearidade do sinal de freqüência é independente as condições de processo do fluído.

Desvantagens

•Vazão pulsada. •Necessário grandes trechos retos na entrada e saída do medidor. •Não pode ser usado para fluídos altamente viscosos. •Medições com baixa vazão não é possível (Re<4000)

Medidores de vazão tipo ultra som Principio

O campo de medidores medidores ultra sônicos cobre cobre uma variedade e tipos de medidores de  vazão. O termo ultra-sônico não define o tipo de medidor de vazão. v azão. O termo “Ultrasônico” meramente indica que a vazão é medida por ultra som. Atualmente a vazão é medida por outros dois métodos fundamentais diferentes. • Método Método Dopp Doppler ler •Método diferencial de tempo de transito (time-of-flight)

Método Doppler

Este fenômeno envolve a reflexão de ondas de objetos em movimento.

Exemplo: A freqüência de áudio de uma ambulância quando aproxima-se. Assim, um deslocamento Doppler é um incremento ou ou decremento na frequência frequência de ondas sonoras que varia de acordo com a diminuição ou o aumento da distância entre a fonte geradora e receptora. Uma pré-condição para o sucesso da operação de um Doppler é que o fluído tenha partículas, bolhas de gás ou similar, no qual irá refletir o sinal injetado de ondas sonoras. Para isso o Doppler necessita de 2 sensores. sensores. O primeiro emite um sinal de onda ultra sônica dando uma freqüência dentro do fluído, enquanto o segundo é um receptor de ondas refletidas.

f

= f1 – f2

 A freqüência do som refletido é alterado por uma quantidade qu antidade direta proporcional da  velocidade do movimento das partículas ou bolhas. Q = K .f  Onde: f = diferen diferença ça de freq freqüênc üência ia ( f1-f f1-f22 ) K = constante constante = f (anglo (anglo de incidência incidência / reflexão, reflexão, localização localização das partículas partículas de reflexão, área seccional ). O método Doppler é simples e eficiente para medição de velocidade de uma partícula. Imagine um policial rodoviário com um radar em uma rodovia. Ele pode escolher o carro a ser medida a velocidade porém não poderá fazer a média do trafego local.

Método diferencial por tempo de transito

Este método utiliza o fato de que a propagação de velocidade da onda sonora dentro de um fluído é diretamente influenciado pela velocidade daquele fluído. A medição de  vazão ultra-sônica utilizando utilizand o o efeito de tempo de transito é baseado no simples fato físico. Dois sensores montados em um tubo emitem e recebem pulsos ultra-Sônicos simultaneamente. Na vazão zero, ambos os sensores recebem o sinal de onda ultrasônica ao mesmo tempo. Mas com um fluido em movimento, as ondas ultra-sônicas diferem o tempo de chegada de um sensor para o outro. Se as distâncias entre os 2 sensores é conhecida, então a medição da diferença do tempo de transito é diretamente proporcional a velocidade de vazão.

 Ambos os sensores são conectados a um transmissor. O transmissor excita o sensor para gerar ondas sonoras e medir o tempo de transito destas ondas de um sensor para o outr outro. o. Q = K. ((t1 ((t1-t -t2) 2)/( /(t1 t1.t .t2) 2))) T1 – tempo de transit transitoo 1 ( com o fluxo fluxo ) T2 – tempo de transito transito 2 ( contra contra fluxo fluxo ) K - comprimento comprimento do trajet trajetoo acústico, acústico, relação entre entre a distância distância radial e axial do do sensor, distribuição da velocidade.

 Vantagens

• Pode ser utilizado em tubulações de pequenos ou grandes diâmetros nominais. nominais. • Fluídos extremamente corrosivos podem ser medidos sem contato direto • Alta expectativa expectativa de vida • Sem perda perda de carga carga • Os sensores sensores ultra sônicos sônicos podem ser deslocad deslocados, os, outros montado montadoss ou até mesmo soldado. • Fluídos homogêneos podem ser medidos pois pois o principio de medição é independente das propriedades físicas.

Desvantagens

• Depósitos Depósitos no interior interior dos tubos podem causar erros erros na medição. • O método Doppler pode ser utilizado somente em em certas aplicações, ex. para monitoramento de vazão. • Meios com baixa precisão. Fortemente dependente da propriedade dos fluídos. (acústico, transparente ) • O resultado resultado das medições medições são altament altamentee dependente dependentess do perfil do fluxo, porque porque a  velocidade do fluído é medida somente em uma pequena área da tubulação.

Limitações

• Limitado a range range de temperatur temperaturaa do fluído • Se o fluído é duramente contaminado com material externo • Se o perfil do fluxo for for sujeito a um rompimento rompimento severo. severo.

Sensor ultra-sônico instalado em uma tubulação de água de grande diâmetro. ( 55 polegadas )

Medidor vazão tipo Thermal Principio de funcionamento - Principio por dispersão dispersão térmica térmica Um elemento elemento é aquecido e exposto exposto a vazão. A taxa de refrigeração refrigeração é uma medida de  velocidade local e consequentemente vazão.

-Elemento (a) aquecido O elemento elemento é resfriado resfriado dependendo da vazão. -Elemento de referência não aquecido (b).

-Principio por Perfil Térmico O calor é aplicado a uma área limitada do fluxo. A ascensão local local da temperatura e a energia adicionadas são usadas para computar o fluxo de vazão.

Medidor de vazão mássica baseado no principio de perfil térmico.  Aplicando aquecimento aquecimento (H) com a vazão vazão em zero cria um perfil térmico distorcido (a), no qual qual se movimenta para direita sob circunstâncias circunstâncias de fluxo (b). H – elemento de aquecimento, aquecimento, L/2 – meio comprimento de tubo, tubo, F – medidor de vazão, T – temperatura do tubo, T1e T1e T2 – temperatura dos sensores.

Principio da dispersão térmica

O medidor tipo dispersão térmica pode operar operar em outros dois elementos. elementos. Em ambos ambos os casos, qualquer que seja o elemento sensor, aquecido ou não, está conectado na forma de ponte de Wheatstone. Se a corrente através do elemento aquecido, ex. fio, se mantém constante, então temos uma relação direta entre temperatura ( resistência) e  vazão. Alternativamente, a resistência pode se manter fixa e com isso teremos a  variação de potência com o incremento ou decremento da vazão.

Principio do perfil térmico / aumento de temperatura

Um aquecimento é gerado internamente no medidor de vazão e aplicado ao meio (fluxo). Dois elementos sensores são posicionados internamente para medir a variação da temperatura entre diferentes pontos. Algumas vezes 2 aquecedores e 3 sensores são empregados para dar um preenchimento as figuras do perfil térmico. Quando não ocorre vazão, todos os sensores indicam a mesma temperatura.

Bibliografia Flow Flow Hand Handbo book  ok 

Endress+Hauser

 Autores

Matthias Altendorf Dr. Peter Berrie Hege Bj Bjonnes Finn Bloch Jensen Frank Bonschab Michael Carr Marco Colucci Dr. Aline Cossy Utz Dette  Walter Eckert Harald Freimark Dr. Richard Furness Bernhard Gerdes Heinz Hafelfinger Michael Herzog Dr. Gerhard Jost

Ulrich Leardi Dr. Helga Linnartz Jason Me Metcalfe Andres Pluss Hans Pohl François Pautois John Salusbury   Dieter Sc S chaudel Andreas Schindler Matthias Schurch Oliver Seifert   Rolf Sonderkamp Dr. Wihelm Staudt   Kilian Stern Daniel Tschopp Jurg Wy Wyss

Endress+H Endress+Hauser auser Controle Controle e Automação Automação Ltda  Av. Pedro Bueno, 933 – Parque Jabaquara São São Pau Paulo lo – SP CEP: 04342-010 Tel: +55 11 5033-4333 Fax: +55 11 5033-4334 Informações: [email protected]