ARTIGO MEDIDORES DE VAZÃO LINEAR

Prévia do material em texto

Endereço eletrônico:Paulo Roberto Lagos, prlagos@yahoo.com.br·. 
 
MEDIDOR DE VAZÃO LINEAR 
 MARLON GEMIN1, RICARDO PREIS2 , PAULO ROBERTO LAGOS3 
1- Acadêmico do Curso de Bacharelado em Engenharia Mecânica da 
Universidade Tuiuti do Paraná (Curitiba, PR). 
Email: geminmarlon@gmail.com 
2 - Acadêmico do Curso de Bacharelado em Engenharia Mecânica da 
Universidade Tuiuti do Paraná (Curitiba, PR). 
Email: ricardo.preis@hotmail.com 
3 – Professor Paulo Roberto Lagos formação acadêmica: Graduação em 
licenciatura em física (2005 – 2008) pelo Centro Universitário Campos de 
Andrade, Especialização em Laboratório Didático, Física Moderna e 
Contemporânea (2009 – 2010) pelo Centro Universitário Campos de 
Andrade. 
Email: prlagos@yahoo.com.br 
 
 
RESUMO: A medição de vazão linear é essencial em todas as fases da 
manipulação de fluidos, incluindo a produção, o processamento, a distribuição e 
as utilidades. Ela está associada com o balanço do processo e está diretamente 
ligada aos aspectos de compra e venda dos produtos. A vazão de fluidos é 
complexa e nem sempre sujeita à análise matemática exata. Diferente do sólido, 
os elementos de um fluido vazando podem mover em velocidades diferentes e 
podem ser sujeitos a acelerações diferentes. 
PALAVARAS- CHAVES: Medidor, Metrologia, Vazão. 
 
2 
 
 
 
ABSTRACT: The linear flow measurement is critical at all stages of fluid handling, 
including production, processing, distribution and utilities. It is associated with the 
balance of the process and is directly linked to aspects of buying and selling of 
products. The flow of fluid is complex and not always subject to the exact 
mathematical analysis. Unlike the solid elements of a leaking fluid can move at 
different speeds and can be subjected to different accelerations. 
KEY- WORDS: Meter, Metrology, Flow. 
 
 
 
1. INTRODUÇÃO 
Quando falamos de medição de vazão linear devemos lembra 
primeiramente do que se trata uma medição. Consiste em comparar a 
quantidade de uma unidade de medida com um padrão já pré-definido com a 
sua unidade de medida estabelecida. 
Para que a isto seja possível, ambas as dimensões e unidades devem 
estar sob a mesma magnitude, deve-se levar em conta que todas apresentam 
uma margem de erro, seja por imperfeições do próprio equipamento utilizado 
para medição ou por erros experimentais. 
Se tratando de vazão podemos descrever como uma quantidade de 
produto ou de utilidade expressa em massa ou volume por um determinado 
tempo, ou expressada por unidade de tempo. 
Esta medição deve ser precisa e confiável para que não ocorram erros, para 
isso requer uma correta engenharia que envolve a seleção do instrumento, 
instalação, operação, manutenção e a interpretação dos resultados obtidos. 
Com isso foi feito uma pesquisa a respeito dos medidores de vazão linear na 
qual serão citados todos eles no decorrer do trabalho. 
 
3 
 
 
 
2. METODOLOGIA 
Realizar uma pesquisa a respeito de medidores de vazão linear, hoje 
muitos utilizados principalmente em vazão de fluidos. Os diferentes modelos de 
medidores que podem ser utilizados, especificações de diferentes medidores, 
suas vantagens e desvantagens. Com isso aderir novos conhecimentos para 
pode ser utilizada durante toda engenharia. 
3. DESENVOLVIMENTO 
Existem os seguintes tipos de medidores de vazão linear que produzem um 
sinal de saída diretamente proporcional à vazão. São divididos em: Medidor de 
área variável (Rotador), eletromagnético, ultrassônico, turbina, Coriolis e vortex. 
3.1 ROTÂMETROS 
São medidores de vazão por área variável nos quais um flutuador varia sua 
posição dentro de um tubo cônico, proporcionalmente à vazão do fluido. Um 
rotâmetro consiste de duas partes: A primeira parte é um tubo de vidro de 
formato cônico, o qual é colocado verticalmente na tubulação em que ira passar 
o fluido que queremos medir, e a segunda parte no interior do tubo cônico 
teremos um flutuador que ira se mover verticalmente, em função da vazão 
medida. 
 
Figura 1: imagem de um Rotâmetro. 
4 
 
 
 
O fluido passa através do tubo da base para o topo. Quando não haja vazão, 
o flutuador permanece na base do tubo e seu diâmetro maior é usualmente 
selecionado de tal maneira que bloqueie a pequena extremidade do tubo, quase 
que completamente. Quando a vazão começa e o fluido atinge o flutuador mais 
leve, o flutuador tem uma densidade maior que a do fluido, faz com que o 
empuxo não seja suficiente para levantar o flutuador. 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 liquido, excede a 
pressão devido ao peso do flutuador, então o flutuador sobe e flutua na corrente 
fluida. Com o movimento ascendente do flutuador em direção à parte mais larga 
do tubo, a área anular e a periferia do flutuador aumentam. Como a área 
aumenta, o diferencial de pressão descresse com isso o flutuador ficara em 
equilíbrio dinâmico quando a pressão diferencial somada ao efeito do empuxo 
contrabalançar o peso do flutuador. Qualquer aumento na vazão movimenta o 
flutuador para a parte superior do tubo de vidro e a diminuição causa uma queda 
a um nível mais baixo. Cada posição a um valor determinado de vazão e 
somente um. É somente necessário colocar uma escala calibrada na parte 
externa do tubo e a vazão poderá ser determinada pela observação direta da 
posição do flutuador, possuem dois principais tipos de rotâmetros, o Vertedor e a 
calha de Parshall. O vertedor mede a altura estática do fluxo em reservatório que 
verte o fluido de uma abertura de forma variável. 
 
 Figura 2: vertedor esquematizado Figura 3: imagem de um vertedor. 
5 
 
 
 
Já o medidor tipo calha de Parshall é um tipo de Venturi aberto que mede a 
altura estática do fluxo. É um medidor mais vantajoso que o vertedor, porque 
apresenta menor perda de carga e serve para medir fluidos com sólidos em 
suspensão. 
 
Figura 4: imagem esquemática de uma calha Parshall convencional. 
 
 
Vantagens 
Medição local e direta da vazão 
Pequena perda de carga e pressão constante 
Pode comparar densidade e viscosidade 
Desvantagens 
Aplicação com baixa pressão 
Precisão razoável para ruim 
Vazão 
0,01 cm^3/min a 15 m3/min (líquidos) 
 0,3 cm^3/min a 400 m^3/min (gases) 
Diâmetro da linha 6 a 150 mm 
Precisão Pode variar entre ±0,5 a ±10% da escala 
Range de medição 1 ~ 10 
Repetibilidade ± 0,5 % F.S. 
Custo Relativamente baixo 
Pressão máxima 
25 Kgf/cm^2 (tubo de vidro); 50 Kgf/cm^2 (tubos 
metálicos). 
Tabela 1: especificações do medidor tipo rotâmetro. 
6 
 
 
 
 
3.2 VORTEX 
São utilizados na medição de vazão de líquidos de baixa viscosidade, 
gases e vapor (saturado e superaquecido). Os medidores Vortex se 
caracterizam pela ausência de partes moveis em contato com o fluido, baixa 
perda de carga e boa precisão. Ele consta de uma geometria definida colocado 
de forma a obstruir parcialmente uma tubulação em que escoa um fluido, 
formando vórtices, que se desprendem alternadamente de cada lado do 
anteparo, como mostrado na figura 5. A vazão volumétrica do fluido pode ser 
medida pela contagem do numero de vórtices. 
 
 
 
 
 
 Figura 5: imagem esquemática do funcionamento do medidor linear do tipo Vortex. 
O método de detecção dos vórtices possui duas maiores questões referente 
ao desenvolvimento pratico de um medidor de vazão são: 
A criação de um obstáculo gerador de vórtices (Vortex Shedder) que possa 
gerar vórtices regularese de parâmetros totalmente estabilizados. Isto 
determinara a precisão do medidor. 
O projeto de um sensor e respectivo sistema eletrônico para detectar e medir 
a frequência dos vórtices. Isto determinara os limites para as condições de 
operação do medidor. 
Vortex Shedder – numerosos tipos de Shedder, com diferentes formas, 
foram sistematicamente testados e comparados em diversos fabricantes e 
7 
 
 
 
centros de pesquisa. Um Shedder com formato trapezoidal foi o que obteve um 
desempenho considerado ótimo. 
 O corte trapezoidal proporciona excelente linearidade na frequência de 
geração dos vórtices, além de extrema estabilidade dos parâmetros envolvidos. 
Sistema sensor- vário tipo de sensores tem sido proposto, porem nenhum se 
mostrava totalmente adequado para resistir às severas condições de trabalho, 
as quais o medidor seria submetido no processo. A tabela 1 apresenta a 
variedade de sensores que estiveram, ou ainda estão disponíveis no mercado. 
 
 
Figura 6: foto de um medidor Vortex. 
Grandeza 
detectada Sistema de detecção Tipo de sensor 
Mudanças na 
velocidade do 
fluxo 
Troca térmica Termitor 
Variações de 
frequência ultrassónica 
Feixe de ultrassom 
Mudança de 
pressão 
Detecção de pressão 
diferencial 
Diafragma + elementos 
piezoeléctricos 
Diafragma Capacitivo 
Diafragma Indutivo 
Equilíbrio de momento 
Strain-gauge 
Esfera + Indutância 
Deformações sobre o 
Vortex Shedder 
Strain-gauge 
Tensão (stress) sobre 
o Vortex Shedder 
Elementos 
piezoeléctricos 
Tabela 2: Tipos de sensores Vortex que possui no mercado. 
8 
 
 
 
Vantagens 
Reduzir custo de manutenção 
Medir e controlar vazão volumétrica e BTU 
Medir vazão de processe que não pode parar 
Medir vazão que esta variando constantemente 
Aumentar período de calibração 
Medir com alta precisão 
Desvantagens 
Possui fator K 
Periodicamente calibrado 
Requer padrão de vazão 
Mede somente fluido com Re acima de 20000 
(entre 10000 e 20000 a medição é não linear) 
Provoca perda de carga que pode causar 
cavitação e flashing não aprovado para 
transferência de custodia em alguns países 
Repetibilidade 
±0,5% a ±1% V.M 
±0,2% em 24 horas 
Disponibilidade 
MTFF 100 anos 
Tabela 3: especificações do medidor tipo Vortex. 
3.3 CORIOLIS 
Tem grande aplicabilidade desde indústrias alimentícia, farmacêutica, 
química, petróleo, etc. Sua medição independe das variáveis de processo – 
densidade, viscosidade, condutibilidade, pressão, temperatura, perfil do fluido. 
 
Figura 7: imagem esquemática de um medidor Coriolis. 
9 
 
 
 
Um medidor Coriolis possui dois componentes: Tubos de sensores de 
medição e Transmissor. Os tubos de medição são submetidos a uma oscilação; 
quando um fluido qualquer é introduzido no tubo em vibração, o efeito Coriolis se 
manifesta causando uma deformação, isto é, uma torção, que é captada por 
meio de sensores magnéticos que geram uma tensão em formato de ondas 
senoidais. 
 As forças geradas pelos tubos criam certa oposição à passagem do fluido 
na sua região de entrada, e em oposição auxiliam o fluido na região de saída 
dos tubos. O atraso entre os dois lados é diretamente proporcional à vazão 
mássica. UM RTD é montado no tubo, monitorando a temperatura deste, a fim 
de compensar as vibrações das deformações elásticas sofridas com a oscilação 
da temperatura. 
 O transmissor é composto de um circuito eletrônico que gera um sinal 
para os tubos de vazão, alimenta e recebe o sinal de medida, propiciando saídas 
analógicas 4 a 20 MA, de frequência (0a 10 mil Hz) e ate digital RS 232 e/ou RS 
485. Estas saídas são enviadas para instrumentos receptores que controlam 
bateladas, indicam vazão instantânea e totalizada, ou para PLCs, SDCDs, etx. 
 Podemos encontrar também o modelo com tubo reto, neste modelo, um 
tubo de medição oscila sobre o eixo neutro A-B, sendo percorrido por um fluido 
com certa velocidade. Entre os pontos A-C as partículas do fluido são 
aceleradas de uma baixa para alta velocidade rotacional. A massa destas 
partículas aceleradas geram as forças de Coriolis oposta à direção de rotação. 
Entre os pontos B-C as partículas do fluido são desaceleradas, o que leva a 
força de Coriolis no mesmo sentido da rotação. A força de Coriolis, a qual atua 
sobre as duas metades do tubo com direções opostas, é diretamente a vazão 
mássica. O método de detecção é o mesmo do sistema anterior. 
 
10 
 
 
 
 
Figura 8: gráfico do movimento Coriolis do modelo com tubo reto. 
 
Figura 9: foto de um medidor Coriolis. 
 
 
11 
 
 
 
Vantagens 
Bom desempenho: precisão, rangeabilidade e 
estabilidade. 
Pode medir densidade e viscosidade 
Desvantagens 
Grande perda de carga 
Requer medição da temperatura 
Precisão ±0,1 a ±0,5% do V.M. 
Rangeabilidade Típica de 25:1 
Pressão 10 Mpa a 130 Mpa 
Temperatura do fluido -55 a 125 C (normal) ou -240 a 300 C (especial) 
Temperatura 
ambiente -40 a 85 C 
Vazões 10 g/min ate 20 000 kg/min 
Tabela 4: especificações do medidor tipo Coriolis. 
3.4 MEDIDOR ULTRASSÔNICO 
Os medidores de usam a velocidade do som como meio auxiliar de medição. 
Podem ser divididos em dois tubos: Medidores a efeito Doppler e Medidores de 
tempo de transito. 
Medidores de efeito Doppler: é a variação de frequência produzida pelo 
movimento relativo de um emissor e de um receptor de frequência. No caso, 
esta variação de frequência ocorre quando as onde são refletidas pelas 
partículas moveis do fluido. Nos medidores baseados neste principio, os 
transdutores-emissores projetam um feixe continuo de ultrassom na faixa das 
centenas de kHz. O ultrassom refletido por partículas veiculadas pelo fluido tem 
sua frequência alterada proporcionalmente ao componente da velocidade das 
partículas na direção do feixe. Estes instrumentos são consequentemente 
adequados para medir vazão de fluidos que contem partículas capazes de 
refletir ondas acústicas. 
 
Figura 10: imagem esquemática do medidor de efeito Doppler. 
12 
 
 
 
Medidores de tempo de transito: não são adequados para medir vazão que 
contem partículas. Para que a medição seja possível, estes instrumentos devem 
medir vazão de fluidos relativamente limpos. Nestes medidores, um transdutor-
emissor-receptor de ultrassons é fixado à parede externa do tubo, ao longo de 
duas geratrizes diametralmente opostas. O eixo que reúne os emissores-
receptores forma com o eixo da tubulação, um angula α. 
Os transdutores transmitem e recebem alternadamente um trem de ondas 
ultrassónicas de duração pequena. O tempo de transmissão é levemente inferior 
(t1) orientada para a jusante, e levemente superior (t2) quando orientada para a 
montante. Sendo L a distancia entre os sensores, V1 a velocidade media do 
fluido e V2 a velocidade do som no liquido considerado, temos: 
1/t1= (Vs-V1*cosα)/L 
1/t2= (Vs+v1*cosα)/L 
A diferença dos tempos de transito t1 e t2 serve como base de medição da 
velocidade V1. 
Os dois tipos de medidores são complementares, já que o primeiro opera 
com líquidos que contem partículas solidas ou gasosas e o segundo requer 
fluidos limpos. Em ambos os tipos de medidores, o perfil de velocidades da veia 
fluida deve ser compensado. Nos medidores de efeito Doppler, e dependendo 
das realizações práticas, influencia da densidade de partículas reflexivas poderá 
introduzir erros suplementares, quando a quantidade de partículas for muito 
grande, as partículas próximas dos sensores, que são as mais lentas, serão as 
que mais contribuem na reflexão das ondas, introduzindo um erro para menos. 
Nos medidoresde tempo de transito, a configuração geométrica do percurso do 
feixe acústico é perfeitamente definida. Será então possível corrigir a leitura 
adequadamente, levando em consideração o perfil padrão em função do numero 
de Reynolds do escoamento. 
13 
 
 
 
Os circuitos eletrônicos dos instrumentos são previstos para eliminar os 
efeitos das turbulências, efetuando continuamente a media das velocidades 
numa base de tempo relativamente longa. É desaconselhada a aplicação destes 
instrumentos a produtos que depositam na superfície interna do tubo, formando 
uma camada absorvente de energia acústica. 
 
Figura 11: imagem esquemática do medidor ultrassônico. 
 
Figura 12: foto de um medidor ultrassônico. 
 
14 
 
 
 
Vantagens 
Não intrusivo 
Pode ser portátil 
Externo ao tubo 
Reconhecido para transferência de custodia 
Desvantagens 
Desempenho limitado 
Não mede todos os fluidos 
 
 Tabela 5: especificações do medidor tipo ultrassónico. 
3.5 MEDIDOR MAGNÉTICO 
O medidor magnético de vazão é seguramente um dos medidores mais flexíveis 
e universais dentro os métodos de medição de vazão. Sua perda de carga é 
equivalente a de um trecho reto de tubulação, já que não possui qualquer 
obstrução. É virtualmente insensível a densidade e a viscosidade do fluido de 
medição. Medidores magnéticos são, portanto ideias para medição de produtos 
químicos altamente corrosivos, fluidos com sólidos em suspensão, lama, agua, 
polpa de papel. Sua aplicação estende-se desde saneamento ate industriais 
químicas, papel e celulose, mineração e industriais alimentícias. A única 
restrição, em principio é que o fluido tem que ser eletricamente condutivo. Tem 
ainda como limitação o fato de fluidos com propriedades magnéticas 
adicionarem certo erro de medição. 
O principio se baseia na lei de Faraday, isto é, uma corrente elétrica é induzida 
numa condutor se ele se move em um campo magnético ou vice-versa. Um tubo 
de material não magnético contem duas bobinas que geram um capo magnético 
B no seu interior. Dois eletrodos são colocados em lados opostos do tubo e em 
direção perpendicular ao campo. O fluido faz o papel do condutor e a tensão V 
gerada tem relação com a velocidade do fluxo e, portanto, com a sua vazão. 
E = B.L.v 
Q= 
Onde: E=tensão gerada (volts) 
15 
 
 
 
B=densidade de fluxo magnético (wb/m^2) 
L=distancia dos eletrodos (m) 
V=velocidade (m/s) 
E=tensão induzida 
B=densidade do fluxo magnética 
 
Figura 13: imagem esquemática da mediação de vazão tubo eletrônica. 
 
Figura 14: foto de um medidor eletrônico. 
 
16 
 
 
 
Vantagem Mede vazão volumétrica 
Alta precisão 0,5 a 1% do V.M. 
Vazões medidas 0,038 a 378 500 L/min 
Pressão máxima 350 bar 
Temperatura 180 C 
Tabela 6: especificações do medidor tipo eletrônico. 
3.6 TURBINA 
O medidor tipo turbina é constituído basicamente por um rotor montado 
axialmente na tubulação. O rotor é provido de aletas que o fazem girar quando 
passa um fluido na tubulação do processo. Uma bobina captadora com um imã 
permanente é montada externamente fora da trajetória do fluido. Quando este se 
movimenta através do tubo, o rotor gira a uma velocidade determinada pela 
velocidade do fluido e pelo ângulo das laminas do rotor. À medida que cada 
lamina passa diante da bobina e do imã, ocorre uma variação da relutância do 
circuito magnético e no fluxo magnético total a que esta submetida à bonina. 
Verifica-se então a indução de um ciclo de tenso alternada. A frequência dos 
pulsos gerados desta maneira é proporcional à velocidade do fluido e a vazão 
pode ser determinada pela medição/totalização de pulsos. 
 
Figura 15: imagem esquemática do medidor tipo turbina. 
17 
 
 
 
Como visto acima, a frequência de saída do sensor é proporcional à vazão, 
de forma que é possível, para cada turbina, fazer o levantamento do coeficiente 
de vazão K, que é o parâmetro de calibração da turbina, expresso em ciclos 
(pulsos) por unidade de volume. 
Numa turbina ideal, este valor K seria uma constante independente da 
viscosidade do fluido medido. Observa-se, que à medida que a viscosidade 
aumente, o fator K deixa de ser uma constante e passa a ser uma função da 
viscosidade e da frequência de saída da turbina. 
 
Figura 16: foto de um medidor tipo turbina. 
18 
 
 
 
Vantagem Escala linear 
 Excelente Repetibilidade 
 Utilizado para fluidos limpos em geral 
 Pode ser utilizado em vazão bidirecional 
Desvantagem Desgaste das pás 
 Travamento do rotor 
 Inercia para baixas vazões 
 Diâmetro D limitado 
 Não é utilizado para baixo numero de 
Reynolds 
Precisão 0,1 a 3% 
Pressão de operação máxima 200 kgf/cm^2 
Range de vazão 4 L/min a 150 m^3/min 
Tabela 7: especificações do medidor tipo turbina. 
4 CONSIDERAÇÕES FINAIS 
Após o termino do trabalho foi concluído que é essencial usar o medidor de 
vazão adequado para cada situação que seja exigido uma verificação precisa de 
um determinado equipamento. 
Hoje em dia possui vários tipos de medidores onde se pode obter resultados 
precisos, a metrologia auxilia em todos os ramos da engenharia encontrar 
melhorias nos processos que existem atualmente. 
Durante o execução do trabalho outro ponto importante e explorar as 
tecnologias de comunicação para obter mais conhecimento e compartilhar novas 
experiências com os colegas de turma e também em sites acadêmicos. 
Na atualidade o uso desses métodos de quantificar a vazão linear auxilia na 
execução de novos projetos e também garantir a segurança de sistemas onde 
necessitam de um monitoramento constante, é um ramo da metrologia que é de 
suma importância ser aprimorado com as novas tecnologias. 
 
 
 
 
19 
 
 
 
REFERÊNCIAS 
GONZALES, Carlos Roberto; VAZQUES, José Ramos Zenely. Metrologia. 
Mexico; McGraw, 1995. 
LINK, Walter, Metrologia Mecânica: expressão de incerteza de medição, Rio de 
Janeiro 1997.