controle de proc i apost 5 - vazão

Transcrição

Instrumentação Industrial
Autor: Perez
Instrumentos de Vazão
1
AULA VI
- Instrumentos de Vazão – Parte 1
2
Medidores de Vazão
3
4
Medidores baseados em diferencial de
pressão:
Venturi
9 Coeficiente de descarga estável (vazão real/vazão
teórica);
9 Baixa perda de carga;
5
pressão:
Venturi
6
pressão:
Venturi
Tipos de tubo Venturi
Os três tipos mais utilizados de tubo Venturi são:
9
Clássico longo
9
Clássico curto
9
Retangular
7
pressão:
Venturi
Clássico longo
O difusor aumenta progressivamente até igualar-se ao diâmetro
da tubulação.
Difusor
8
pressão:
Venturi
Clássico curto
O tipo curto tem o difusor truncado.
9
pressão:
Venturi
Retangular
O tipo retangular é utilizado em dutos de configuração
retangular como os utilizados para ar em caldeira a vapor.
10
pressão:
Venturi
Vantagens
9
boa precisão (± 0,75%);
9
resistência a abrasão e ao acúmulo de poeira ou sedimentos;
9
capacidade de medição de grandes escoamentos de líquidos
em grandes tubulações;
9
Permite medição de vazão 60% superiores à placa de orifício
nas mesmas condições de serviço, porém com perda de
carga de somente 0 a 20% do ∆P.
11
pressão:
Venturi
Desvantagens
9
custo elevado (20 vezes mais caros que uma placa de
orifício);
9
dimensões grandes e incômodas;
9
dificuldade de troca uma vez instalado.
12
pressão:
Dall Flow Tube
9
Em época mais recente foi desenvolvido um dispositivo
conhecido como tubo de DALL FLOW TUBE, para
proporcionar uma recuperação de pressão muito maior do
que a obtida por um tubo VENTURI.
13
pressão:
Dall Flow Tube
Características
9
Para tubulações de diâmetro pequeno, o limite do número de
REYNOLDS para utilização do DALL FLOW TUBE é 50.000.
9
Para tubulações com diâmetros superiores, o número de
REYNOLDS é ilimitado.
Re =
•
V.D
ν
Re =
DVρ
µ
V: velocidade (m/s), ‫ט‬: viscosidade cinemática (m2/s),
D: diâmetro (m), µ: viscosidade absoluta ou dinâmica
(cP)
14
pressão:
Dall Flow Tube
Características
9
Não utilizável para fluidos contendo sólidos, o qual sedimenta-se
na garganta ovalada e causa erosão no canto vivo.
9
A tomada de alta pressão do tubo de DALL, encontra-se localizada
na entrada da parte convergente do tubo.
9
A tomada de baixa pressão encontra-se localizada no final do
cone convergente, “gargalo” início do cone divergente.
L
H
15
pressão:
V-Cone
9 Fabricante: McCrometer
16
pressão:
V-Cone
9 Funcionamento do V-Cone:
Um diferencial de pressão é obtido através de um cone
colocado no centro da tubulação
A vazão é obtida através da leitura do diferencial de
pressão entre os seguintes pontos:
• A montante do cone, na parede do medidor
• A jusante do cone, no seu centro
17
pressão:
V-Cone
9 Não necessita de trechos retos
9 Diâmetros compreendidos entre ½” à 72”;
9 Rangeabilidade 10:1
9 Maior estabilidade de medição (medição menos ruidosa);
H
L
18
pressão:
V-Cone
9 Não necessita de manutenção
9 Alta acurácia (0,5%) e repetibilidade (0,1%)
9 Pequena perda de carga permanente
9 Não possui partes móveis
19
pressão:
Annubar
9 Fabricantes: Dieterich, Emerson
9 Faixa de diâmetros: 2” à 72”;
9 Baixa perda de carga;
20
pressão:
Annubar
9
A barra sensora de pressão a montante possui vários orifícios. Estes orifícios
estão localizados criteriosamente ao longo da barra, de tal forma que uma
média do perfil da pressão total a montante seja medida.
9
A barra sensora de pressão a jusante possui um orifício que está posicionado
no centro do fluxo de modo a medir a pressão do fluxo a jusante.
21
pressão:
Annubar
9 Instalação:
22
pressão:
Annubar
23
pressão:
Annubar
9Acurácia: + 1%
9Rangeabilidade: 10:1
24
25
pressão:
Tubo de Pitot
9O annubar, historicamente, foi desenvolvido a partir do tubo de
Pitot.
9Foi concebido por Henry Pitot em 1732;
9Quando um obstáculo é colocado no centro de uma tubulação e
é mantido estacionário, o fluido começa a perder velocidade
quando se aproxima do corpo. A velocidade é zero quando atinge
o alvo (ponto de estagnação).
9Quando o fluido perde energia cinética, ele ganho em energia de
pressão estática.
9Pela medição de diferença de pressão entre a pressão estática
normal da linha e a pressão no ponto de estagnação, acha-se a
velocidade do fluido e, conseqüentemente, sua vazão.
9O tubo de Pitot é uma haste de inserção para medir o perfil de
velocidade ou a vazão.
26
pressão:
Tubo de Pitot
Conversão de energia
cinética em pressão
27
pressão:
Tubo de Pitot
vP = C
Pt: Pressão Total
P: Pressão estática
ρ: massa específica
(Pt − P )
ρ

P v2
P v2
mv 2
ρ V v2
= → por massa →
→
 Pt − P = gz + + − gz −
2
2
2
2
ρ
ρ


ρ v2
P
P
−
=
→ por volume
 t
2


Pt − P
P −P
⇒ Q = Av = AC t
v = C
ρ
ρ

28
pressão:
Tubo de Pitot
29
pressão:
Tubo de Pitot (múltiplas aberturas)
9É o annubar
9Velocidades Médias
9Pressão Média a montante
9Pressão média a jusante
30
31
Vortex:
9 ASME MFC-6M “Measurement of fluid flow in pipes using
vortex flowmeters”;
9 Baseado na relação da vazão com a freqüência de formação
de vórtices.
32
Vortex:
Simulação da formação de Vórtices
33
Vortex:
9O corpo de obstrução gera pares de vórtices e a freqüência de
formação dos pares de vórtices é proporcional à velocidade do fluido.
9Número adimensional de Strouhal (St):
d
Q
=
f
.
A
.
Q = A.v,
St
Q=B
Ad
.f
St
f
St = d . ,
v
⇒ Q = K. f
f:freqüência de formação de vórtices
d:diâmetro interno da tubulação
B: fator do sensor
9O número de St se mantém constante para faixas amplas do número
de Re, logo podemos afirmar que St não depende da massa específica
e da viscosidade.
34
Vortex:
9
Os vórtices geram esforços laterais no corpo de obstrução que são
sentidos por um sensor piezelétrico acoplado à base do corpo de
obstrução.
9
O sensor piezelétrico transforma os esforços laterais em pulsos
elétricos (pressão em carga elétrica), que são totalizados e
associados a uma vazão através do fator K do medidor.
9
Fator K: número de pulsos gerados e volume do fluido que passou
pelo medidor em um período de medição (volume/pulsos).
35
Vortex:
36
Vortex:
9 Características gerais:
-
Rangeabilidade: 1:15 à 1:30;
-
Limites de temperatura: -200 à 430 C;
-
Limites de diâmetro: ½” à 12”;
-
Fabricantes: Foxboro, Rosemount, Yokogawa.
-
Sensível à vibração da tubulação
Não integrado
37
Vortex:
9 Acurácia: ±0,5 a ±2%
38
Vortex:
9 Restrições:
-
Em vazões muito baixas há corte de sinal devido a perda de
formação dos vórtices;
-
Evitar fluxo pulsante;
39
Vortex:
Recomendações de
instalação
9 Trecho reto a montante
do sensor igual ao
requerido por uma placa
de orifício de β igual a
0,7;
9 30D a jusante de uma
válvula de controle;
9 Quando instalado com o
fluido descendo, uma
elevação a jusante é
recomendada;
40
41
Medidor Mássico
Coriolis
9 ISO 10790 "Measurement of fluid flow in closed conduits Guidance to the selection, installation and use of Coriolis
meters;
9 ASME MFC-11M "Measurement of fluid flow by means of
Coriolis mass flowmeters“;
42
Medidor Mássico
Coriolis
9 O sensor de Coriolis pode ser de tubo único ou 2 tubos em
paralelo, direto ou em anel ou, ainda de outras formas.
43
Medidor Mássico
Força de Coriolis
Como se manifestaria a força coriolis
para uma pessoa que tentasse
caminhar do centro para a periferia
sobre um plano dotado de uma
velocidade angular ω?
44
Medidor Mássico
Força de Coriolis
45
Medidor Mássico
Coriolis
9 Baseado na força de Coriolis, que se forma quando uma
determinada massa flui em um tubo que vibra a uma
determinada freqüência.
9 Se fosse colocado um tubo para guiar uma bola lançada do
centro de um disco em rotação ω até a borda do disco, a bola
apoiaria-se sobre a parede do tubo.
9 Essa força é a força de Coriolis.
→
Fc
.
→
FC = 2m ω X v
v
sentido
centro
ω
-Fc
X
v
sentido
borda
46
Medidor Mássico
Coriolis
9As forças de inércia coriolis também aparecem quando um
fluido percorre uma tubulação que vibra na freqüência ω,
proporcionalmente à massa que está escoando, deformando
elasticamente o tubo.
47
Medidor Mássico
Coriolis
Tomando um elemento de massa dm:
48
Medidor Mássico
Coriolis
9O tubo em oscilação exerce uma força sobre o
fluido que, por sua vez, reage com uma força de
igual intensidade e sentido contrário chamada
de força de coriolis.
∆FC = 2δ mω v
∆FC = 2ωv ρA∆x ∆FC = 2ω ρ Av ∆x
W = ( Av )ρ
∆FC = 2ω W ∆x ⇒∆xTOTAL = L ⇒ ∆FC = 2ω WL
9A medição direta ou indireta da força de coriolis exercida
pelo fluido sobre o tubo em vibração, fornece a medição
da vazão mássica.
49
50
Medidor Mássico
Coriolis
9 A bobina central tem como função manter o sensor em
vibração. A menor força requerida para isso está na
freqüência de oscilação do conjunto.
9 Quando houver fluxo pelo medidor de Coriolis, duas forças
opostas aparecem: a porção do fluido que se aproxima da
parte central do medidor e a porção do fluido que se afasta
desse ponte central.
9 Essas duas forças opostas criam um conjugado que provoca
uma torção sobre os tubos do medidor.
51
Medidor Mássico
Coriolis
9 Força de Coriolis que atua sobre uma unidade de comprimento
do tubo.
52
Medidor Mássico
Coriolis:
53
Medidor Mássico
Coriolis
9 Através de bobinas sensoras localizadas na entrada e na
saída do medidor, mede-se a distorção sofrida pelo tubo na
passagem do fluido pelo sensor em vibração.
9 A defasagem entre os dois sinais é proporcional a vazão
mássica.
9 A força de Coriolis, e conseqüentemente a distorção do
tubo, só existe se tivermos vazão e movimento de oscilação.
54
Medidor Mássico
Coriolis
55
Medidor Mássico
Coriolis
∆FC = 2.ω .W .∆x
ω : frequência angular
W : massa
∆x : distorção do tubo
56
Medidor Mássico
Coriolis
9 O principio de Coriolis pode ser aplicado a um medidor
formado por um tubo em “U, animado de um movimento
oscilatório percorrido por um fluido a vazão constante.
9 Em um curto elemento de tempo, o tubo pode ser considerado
em movimento de rotação;
9 Quando o elemento do fluxo se afasta do centro de rotação, a
força de Coriolis se dá em direção contrária a força quando
este elemento retorna ao centro de rotação.
9 Cria-se dessa forma um conjugado que acaba provocando a
torsão no tubo em “U”.
57
Medidor Mássico
Coriolis
∆FC = 2.ω.W .∆x
τ = 2.ω.W .∆x.d
τ = kθ
kθ = 2.ω.W .∆x.d
Onde θ é a defasagem entre entrada e saída
58
Medidor Mássico
Coriolis:
9 Relaciona-se a força de
Coriolis com a
distorção que ocorre no
tubo com a variação da
vazão.
9 Esta distorção é
identificada na forma de
variação de fase entre
os pontos de
sensoriamento.
59
Medidor Mássico
Coriolis:
60
Medidor Mássico
Coriolis:
61
Medidor Mássico
Coriolis:
62
Medidor Mássico
Coriolis:
9 O medidor de Coriolis também pode ser utilizado como
medidor de massa específica ou de densidade.
O medidor de Coriolis opera normalmente em sua
freqüência de ressonância.
1
fR =
2π
C
1
=
mT + m F
2π
C
mT + ρ F VT
• A freqüência pode ser medida pelo pickup através do
período de oscilação.
•onde VT é o volume do sensor (tubo) que é constante, C
é a constante do medidor
63
Medidor Mássico
Coriolis:
9
Temperatura: -100 oC até 180 oC
(típico); -240 oC até 230 oC (sob
encomenda);
9
Rangeabilidade: vazão (até 50:1);
densidade (0,3 até 5,0);
9
Acurácia:
-
Líquido (±0.10% até ±0.50 % da
vazão nominal);
-
Gás (±0.50% até ±1.0 % da vazão
nominal);
-
Densidade (±0.0005 até ±0,004);
9
Dimensões: 1/2" até 10".
9
Dispensa o uso de compensação de
densidade (pressão e temperatura)
9
Imune a variações de composição da
carga
64
Medidor Mássico
Coriolis:
9
Aplicações:
-
Fechamento de balanço de massa;
-
Fluidos viscosos;
-
Medição Multifásica (líquido-líquido,
líquido com pequena concentração de
gás)
-
Ausência de trechos retos;
9
Cuidados:
-
Alta perda de carga;
-
Dependendo do serviço, prever
bloqueio e “bypass” para manutenção.
9
Fabricantes:
-
Micromotion, Yokogawa, EndressHauser, Khrone
65
Ultrassônico
9
ASME MFC-5M "Measurement of liquid flow in closed
conduits using transit-time ultrassonic flowmeters“;
9
AGA Report No. 9 “Measurement of gas by multipath
ultrassonic meters”;
9
Baseado na relação entre vazão e o tempo de trânsito
de um sinal acústico entre um emissor e um receptor.
66
Ultrassônico
9
Em um determinado instante, a diferença entre a
velocidade aparente do som sobre um líquido em
movimento e a velocidade do som sobre o mesmo
líquido em repouso, é diretamente proporcional a
velocidade instantânea do líquido.
9
Com a velocidade obtida, a vazão volumétrica é
calculada a partir da área da seção transversal do duto.
Q = Av
67
Ultrassônico
Q = Av
68
Ultrassônico
Abordagem diferencial de tempo
c0: velocidade sônica
no fluido em repouso
c0
t AB
L
L
=
=
c AB C 0 + Vm . cos ϕ
t BA
L
L
=
=
c BA C 0 − Vm . cos ϕ
C0
vm
69
Ultrassônico
1
t AB
1
t BA
1
t AB
=
C 0 + Vm . cos ϕ
L
C 0 − Vm . cos ϕ
=
L
−
1
t BA
C 0 + Vm . cos ϕ C 0 − Vm . cos ϕ 2Vm . cos ϕ
=
−
=
L
L
L
L  1
1 
L  ∆t 




−
=
Vm =


2 cos ϕ  t AB t BA  2 cos ϕ  t AB t BA 
70
Ultrassônico
Abordagem diferencial de freqüência (efeito doppler)
f AB =
f BA =
1
t AB
1
t BA
f AB − f AB =
Vm =
C 0 + Vm . cos ϕ
=
L
C 0 − Vm . cos ϕ
=
L
C 0 + Vm . cos ϕ C 0 − Vm . cos ϕ 2Vm . cos ϕ
−
=
L
L
L
KfL
2. cos ϕ
.( f AB − f BA )
71
Ultrassônico
9 Para o caso de transmissor não acoplado
diretamente ao fluido de processo, observa-se
que o sinal acústico sofre a influência do material
de proteção;
9 t0 é o tempo de trânsito da onda sonora no
material entre o transmissor e o fluido (do sensor
até chegar ao fluido).
(
L
t BA − t AB )
Vm =
.
2. cos ϕ (t AB − t0 )(
. t BA − t0 )
72
Ultrassônico
9 A vazão volumétrica pode ser representada por:
- A é a seção reta da região de
n
medição;
Q = S . A.∑ wi .Vi
i =1
- wi é o fator de ponderação do
feixe acústico “i”, que é
dependente da geometria da
seção de medição e da
localização do feixe acústico;
- S é o fator de correção devido
a incerteza do perfil de
velocidade (reduz sua
influência com o aumento de
“i”).
i =1
i=4
- Vi: velocidade do feixe i
73
Ultrassônico
9 Fabricantes de referência:
-
Khrone, Caldon
9 Características: (ref: Khrone)
-
Faixas de diâmetro: 1” até 80”;
-
Acurácia: <±0,15% à 5% (líquidos) à <±2% (gases)
do valor medido;
-
Pressão de projeto: até 250 bar (líquidos) e 40 bar
(gases);
-
Temperatura de projeto: -60 à 1200C (líquidos) e –
25 à 1800C (gases).
74
Ultrassônico
9 Cuidados:
-
Alinhamento (distância e ângulo de inclinação
entre os emissores e receptores);
-
Inadequado para fluidos com sólidos em
suspensão e sistemas bifásicos;
-
Garantir trecho reto de modo a evitar distúrbio no
perfil de escoamento (varia de 10D à 50D);
-
Degradação devido a corrosão, erosão e
depósitos de sujeira.
75
Ultrassônico
Vantagens
9
Como a medição de vazão ultra-som é feita,
geralmente, sem contato com o fluido não há criação
de turbulência ou perda de carga elevada, que era
causada pelos medidores de vazão com placas de
orifício, por exemplo.
9
Possibilita a medição de vazão de fluidos altamente
corrosivos, líquidos não condutores, líquidos viscosos
e água.
9
Precisão relativamente elevada (0,5% no fim da escala)
9
Maior extensão da faixa de medição com saída linear.
9
Apresentam garantia elevada, pois não possuem peças
móveis em contato com o fluido não sendo sujeitas a
desgaste mecânico.
76
Ultrassônico
9
Possibilita medição em tubos com diâmetros que vão
de 1 a 60 polegadas.
9
A medição é essencialmente independente da
temperatura, da densidade, da viscosidade e da
pressão do fluido.
Desvantagens
9
Custo elevado na aplicação em tubos de pequenos
diâmetros.
9
Os medidores são sensíveis a presença de sólidos ou
bolhas de ar em suspensão ou falta de homogeneidade
que podem distorcer a propagação de ondas sonoras.
77
Rotâmetros (medidores de área variável):
9 Baseado no princípio do equilíbrio de forças que
atua sobre um flutuador ao ser inserido no seio
do escoamento;
78
9 A área de passagem oferece
resistência à vazão e a queda de
pressão do fluido começa a
aumentar. Quando a pressão
diferencial somada ao efeito de
empuxo do líquido excede a
pressão devido ao peso do
flutuador, então o mesmo sobe e
flutua na corrente fluida.
79
9 No equilíbrio, o peso do flutuador é compensado pela
força que o fluido exerce sobre a superfície do flutuador
em uma determinada seção do rotâmetro.
9 O ponto de equilíbrio indica a vazão na escala graduada;
Pdeslocador = E + ∆P × A
80
9
A maioria dos rotâmetros são insensíveis à viscosidade.
9
Alguns são sensíveis e, nesse caso, temos uma curva do
fabricante que relaciona a vazão com a viscosidade.
81
9 Aplicado normalmente em linhas de pequenos
diâmetros (abaixo de 2”) em serviços não críticos.
Muito utilizado em laboratórios, sistemas auxiliares de
máquinas (lubrificação, selagem, refrigeração) e
sistemas de condicionamento de analisadores.
Acurácia: ±0,5 à ±4%;
Fabricantes: Brooks,
Khrone, Yokogawa.
82
Medidor Mássico:
Térmico:
9
Baseado na relação entre vazão e a dissipação térmica
entre uma fonte quente e um detector de temperatura;
Q e ∆θ medidos, Cp conhecido→ vazão mássica
obtida
9
Utilizado em vazões baixas ou como detector de fluxo;
9
Fabricante: Fluid Components Intl (FCI).
.
.
Q = m C p ∆θ
83
Medidor Mássico:
Térmico:
9
Outra forma de implementação:
84
Deslocamento Rotativo:
9 Baseado na relação entre vazão e o volume que é
deslocado em função do movimento dos rotores;
9 Acurácia: ±0,5 à ±1%;
9 Utilizado mais como totalizador em sistemas de
carregamento;
9 Fabricante: Oval.
85
Deslocamento Rotativo:
9 Fluidos limpos;
9 Diâmetros reduzidos;
9 Faixa de pressão: até 55 bar;
9 Limites de temperatura: -30 à 120 C;
86
Turbina:
9 Baseado na relação proporcional entre velocidade
média linear do escoamento e a velocidade
angular do rotor;
9 Freqüência dos pulsos de saída é proporcional à
rotação da turbina;
9 Fator K da turbina (pulsos/litro, pulsos/galão);
87
Turbina:
88
Turbina:
9
Acurácia: ±0,1 à ±0,5;
9
Elevada rangeabilidade > 10:1;
9
Requer comprimento de trecho reto à montante e jusante;
9
Interessante instalar retificadores de fluxo
89
Turbina:
90
Turbina:
91
Turbina:
9 Faixa de temperatura: -268 à 454 C;
9 Pode ser utilizado em fluidos viscosos;
9 Faixa típica de diâmetros: ½” à 12”;
9 Sugestão para instalação:
S: Filtro
FS: Retificador de fluxo
92
Turbina:
Aferição
9
Devido a precisão exigida para a venda de produtos é
necessário um sistema de aferição que permite determinar
freqüentemente e em operação o fator K de calibração dos
medidores.
9
Para isso são fornecidos provadores: seções de volumes
conhecidos;
9
O medidor cujo fator deve ser determinado é alinhado com o
respectivo provador;
9
O líquido passando pelo provador desloca uma esfera
perfeitamente ajustada ao diametro interno do provador;
9
A esfera ao passar pelo detector de entrada dispara a
contagem de pulsos da turbina;
9
A esfera ao passar pelo detector de saída cessa a contagem;
9
O número de pulsos obtidos pelo volume conhecido define o
valor do fator K.
93
Medidor Magnético:
O princípio de medição é baseado na lei de Faraday que
diz que:
“Quando um condutor se move dentro de um campo
magnético, é produzida uma força eletromotriz (f.e.m.)
proporcional a sua velocidade.”
E = B . D . v x 10-8 [V]
Onde
v: Velocidade do fluido em cm/s
B: Campo magnético em Gauss
D: Diâmetro da tubulação em cm
94
Medidor Magnético:
95
Medidor Magnético:
96
Medidor Magnético:
97
Medidor Magnético:
Observações:
1 - É de suma importância que a parede interna da
tubulação não conduza eletricidade e que a parte do
tubo ocupada pelo volume definido pelas bobinas não
provoque distorções no campo magnético.
2 - As medições por meio de instrumentos magnéticos
são independentes de propriedades do fluido, tais
como a densidade, a viscosidade, a pressão, a
temperatura ou mesmo o teor de sólidos.
3 - Que o fluxo a ser medido seja condutor de eletricidade
4 – Não tem perda de carga (não intrusivo)
98
Medidor Magnético:
99
Medidor Magnético:
100
Tabela de Medição de Vazão:
101
Tabela de Medição de Vazão:
102

controle de proc i apost 5 - vazão

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