medição de vazão define-se vazão com sendo a quantidade volumétrica, mássica ou gravitacional...
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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
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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
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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
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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
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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
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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)
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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
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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
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RequisitosRequisitos para Medição de Vapor para Medição de Vapor
VaporAberta
O “shedder” deveser resistenteAberta O condensado atinge
o“shedder” com força
Condensado VácuoFechada
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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
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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
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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