Trabalho Jadis Instrumentação

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CENTRO UNIVERSITÁIO DA FUNDAÇÃO EDUCAIONAL DE BARRETOS - UNIFEB
Engenharia Mecânica
Título: Dimensionamento de uma calha Parshall, medidor de vazão tipo Vórtex e tipo Coriollis. 
Anderson Matuella Veroneze
Relatório de Pesquisa
Professor Jadis de Santis Junior
Campus Barretos
Resumo
Esse trabalho tem por finalidade explicar simplificadamente como dimensionar alguns tipos de medidores de vazão como: calha Parshall, tipo Vórtex e tipo Coriollis.
Palavras chave: Explicar, dimensionar, medidor, Parshall, Vórtex, Coriollis.
Calha Parshall
1- INTRODUÇÃO
O medidor Parshall desenvolvido pelo engenheiro Ralph L. Parshall, na década de 1920, nos Estados Unidos, é uma melhoria realizada no projeto de calha Venturi. Desenvolvido inicialmente para aplicações em irrigações, hoje em dia é utilizado frequentemente nas aplicações industriais e saneamento. A Calha Parshall é um dispositivo tradicionalmente usado parar medição de vazão em canais abertos de líquidos fluindo por gravidade, muito utilizado nas estações de tratamento de água para a realização de duas importantes funções:
1º Medir com relativa facilidade e de forma contínua as vazões de entrada e saída de água.
2º Atuar como misturador rápido, facilitando a dispersão dos coagulantes na água, durante o processo de coagulação.
2-PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO.
Consiste, basicamente, numa seção convergente, numa seção estrangulada – “garganta” – e uma seção divergente, dispostas em planta. O fundo da unidade é em nível na seção convergente, em declive na “garganta” e em aclive na seção divergente.
A Calha Parshall como medidor de vazão poderá situar-se em duas condições distintas de descarga:
A) Escoamento livre
b) Escoamento afogado
Na condição de escoamento livre, a vazão é obtida mediante a leitura da lâmina d’água que deve ser feita no início da seção convergente, a 2/3 do ponto onde se inicia o estrangulamento.
3. CONSTRUÇÃO
Os tamanhos das Calhas Parshall são designados pelas larguras das gargantas (trecho contraído). A norma vigente no Brasil é a norma NBR/ISO9826: 2008. Porém, tendo em vista ser uma norma relativamente nova, a grande maioria das calhas Parshall existentes obedecem à norma ASTM 19 41:1975.
Os medidores Parshall podem ser construídos no campo ou fabricados nos seguintes materiais:
a-) Fibra de Vidro
b-) Aço Carbono revestido
c-) Aço Inox
d-) Concreto
4. SELEÇÃO DE TAMANHO.
A identificação da calha é feita pela largura de sua garganta “W”. Foram desenvolvidos em tamanhos padronizados variando de 1” (25,4 mm) até 50 pés (15 metros) de forma a abranger uma capacidade de medição entre poucos l/s até milhares de m3/seg. Deve ser levando em conta também o escoamento livre conforme explicado no item 2.
Figura 1
Tabela 1
Lembramos que fornecemos a calha com uma escala em m3/h onde não haverá necessidade de comparação com a tabela; Entretanto, deverá ser verificada também a relação H2 / Ha cujo percentual deverá ser menor ou igual a:
 60% para Calhas Parshall de 3, 6 e 9 polegadas;
 70% para Calhas Parshall de 1 a 8 pés;
 80% para Calhas Parshall de acima dos 8 pés.
Ultrapassados os limites acima será considerado como ESCOAMENTO AFOGADO, sendo que nesta condição, há um retardamento do escoamento e uma consequente redução de descarga. Ocasião em que a vazão real se apresentaria inferior àquela obtida através do emprego das fórmulas e da tabela.
Então se deve utilizar o fator de correção negativo. O afogamento é causado por obstáculos existentes à jusante, falta de declividade ou níveis obrigados em trecho subsequentes.
Obs.: A Calha Parshall não registra a vazão, porém utiliza-se um medidor de Nível Ultrassônico, que operam em conjunto com o medidor Parshall onde o registro e a totalização da vazão são as operações básicas entre outras funções.
5. INSTALAÇÃO.
Algumas condições básicas de instalação devem ser obedecidas:
a-) O medidor Parshall deve ser instalado precedido à montante ou por um reservatório de grande dimensão, onde a velocidade seja sensivelmente nula, ou por um trecho de canal prismático onde o escoamento seja uniforme.
b-) O medidor deve estar instalado com o canal tanto na montante como na jusante.
c-) O medidor deve ser alinhado longe suficiente da comporta ou curvas, para que o escoamento na região da entrada do medidor seja uniforme e completamente livre de turbulências, ondas ou vórtices.
d-) A crista do medidor deve estar rigorosamente em nível a fim de assegurar a mesma vazão para o mesmo nível ao longo da largura do medidor.
e-) As paredes laterais do trecho contraído devem estar paralelas e verticais.
f-) Pode-se construir com aclive de 1:4, uma rampa inicial no início da seção convergente.
g-) Pode-se construir um degrau na saída ao fim da seção divergente (vide figura 2).
h-) Pode-se fazer uma concordância em planta, na parte da entrada através de raios convenientes, por exemplo, para medidores menores do que 12” um raio de 0,41m, para medidores de 12” a 36” um raio de 0,51 e para medidores de 48” a 96” um raio de 0,61m.
i-) O medidor de nível deve estar instalado de forma a medir o valor a altura da lâmina de água a montante e a altura da lâmina de água a jusante.
Medidor Vórtex
INTRODUÇÃO
Estes medidores exploram o fenômeno conhecido como Kamann Vórtex e são utilizados na medição de vazão de líquidos de baixa viscosidade, gases e vapor (saturado e superaquecido). Os medidores Vórtex se caracterizam pela ausência de partes móveis em contato com o fluido, baixas perda de carga e boa exatidão. 
 Seu funcionamento é baseado na medição de velocidade do fluído a partir da quantidade de vórtices formados quando o líquido passa por um pequeno objeto estático que cruza o interior do tubo. Um sensor localizado após este objeto (que pode ser piezoelétrico ou ultrassônico) monitora continuamente os vórtices gerados enviando um sinal que será processado por um circuito eletrônico microprocessador. Uma vez que se conhece a secção transversal do tubo e tendo-se o valor da velocidade, a vazão pode ser determinada. 
Os medidores Vórtex possuem capacidade para muitas aplicações, pois são flexíveis nas medidas com liquido, gás e vapor. Como os medidores Vórtex têm flexibilidade em medidas com liquido, gás e vapor, possuem potencial para muitas aplicações. “Contudo, os Vórtex são amplamente utilizados em medidas de vazão de vapor, pois podem realizar essas medições a temperaturas elevadas, acima das exigidas em muitas aplicações.”
Figura 2: efeito Vórtex.
Figura 3: medidor tipo Vórtex.
DIMENSIONAMENTO
O fluido quando atinge o obstáculo se divide formando os vórtices de forma alternada e criam um diferencial de pressão na barra, onde os sensores piezoelétricos irão gerar um sinal elétrico proporcionalmente ao esforço mecânico alternado que os vórtices impõem ao obstáculo. O obstáculo com os sensores sofrem influencia da região de alta pressão antes da formação dos vórtices e da região de baixa pressão logo após a formação dos vórtices. A barra possui um pequeno grau de liberdade de movimento, permitindo assim o micro deslocamento, transmitindo o movimento para os sensores através dos esforços mecânicos impostos aos mesmos. Os sensores convertem o stress mecânico em pulsos elétricos para quantificar a frequência dos vórtices. Independente da técnica utilizada, vibrações na tubulação ou ruídos gerados pelo próprio fluido em escoamento podem afetar de forma imprevisível o sinal gerado pelos sensores, o que obriga serem previstos meios de eliminação ou minimização de tais ruídos e vibrações através de técnicas sofisticadas de processamento de sinal. Através do tratamento digital dos pulsos elétricos dos sensores, determina-se a frequência dos vórtices e infere-se a velocidade. Uma vez obtida à velocidade pela correlação do NSt, multiplica-se pela área do tubo medidor para se obter a vazão volumétrica. Assim temos:
Onde:
 Q= vazão volumétrica emm3/s;
D= diâmetro do tubo (3);
f= frequência dos Vórtex (Hz);
d= diâmetro do obstáculo (3);
St = número de strouhal (adimensional);
Para garantir melhor exatidão e estabilidade, eliminam-se ruídos de vazão utilizando processamento de sinal digital que permite através de filtragens de bandas e circuito comparador incorporado (schimitt trigger), tratar o sinal dos sensores e obter a real medição de vazão livre de ruídos.
O medidor Vórtex tem sido a melhor solução para muitas das aplicações em medição de vazão mássica ou volumétrica de líquidos, gases (com recursos de compensação de temperatura e pressão), vapor saturado e superaquecido. Alarmes, diagnósticos e processamento digital garantem extensa faixa de medição com exatidão, linearidade, imunidade a ruídos e alto desempenho.
Medidor tipo Coriollis
Esses medidores exploram o efeito da força de Coriollis, que é uma força inercial que atua sobre um corpo em movimento em um referencial não inercial rotativo. O valor dessa força, considerando um referencial rotativo, é dado por onde m é a massa do corpo, v é sua velocidade linear e ω é a velocidade angular do referencial.  Medindo essa força, direta ou indiretamente, teremos o valor da vazão mássica de fluido no tubo. 
O medidor rotativo consiste em dois tubos em forma de U que são postos em rotação a uma velocidade angular constante. O fluxo é dividido de forma a passar pelos dois tubos, conforme mostra a figura acima. Pode-se ver que o vetor velocidade angular aponta no sentido contrário ao fluxo. Em cada tubo, o fluxo em um dos braços do U se afasta do centro geométrico do movimento de rotação, e se aproxima no outro. Quando os tubos estão posicionados no plano da figura, por exemplo, o vetor força de Coriollis aponta para o observador no braço esquerdo do tubo superior e no braço direito do tubo inferior, e no sentido oposto nos demais braços; no braço direito de cada tubo, portanto, a força estará no sentido da rotação e, no braço esquerdo, estará no sentido contrário à rotação. Em cada tubo aparecerá, portanto, um binário de forças que tende a torcê-lo. Essa torção é proporcional à força F, que é proporcional à velocidade angular dos tubos e à velocidade linear do fluido, e, portanto, à vazão mássica. A força de torção é medida por meio de sensores piezoelétricos cujo sinal gerado é convertido para fornecer o valor da vazão mássica do fluido.
O medidor vibratório não gira. Os tubos vibram com frequência f em sentidos opostos. A fórmula da força de Coriollis pode ser usada, se considerarmos a frequência ω como uma função senoidal do tempo. Em cada tubo aparecerá uma torção, que estará no inverso um do outro, provocando alteração na distância entre os tubos. Essa distância pode ser medida por sensores de proximidade de precisão. Os medidores vibratórios são os mais usados na indústria, por ocuparem menos espaço e por oferecerem maior exatidão na medida. Os tubos podem ter formas diversas, existindo inclusive tubos em espiral.
Figura 4: exemplo de um medidor tipo Coriollis vibratório.
Existe também o medidor vibratório de tubo reto, que funciona de forma um pouco diferente. Neste medidor, existe apenas um tubo, que é posto a vibrar. Sensores de proximidade são colocados próximos a cada extremidade do tubo. Na ausência de fluxo, o tubo assumirá a forma de uma senóide de amplitude A e comprimento de onda 2L, onde L é o comprimento do tubo. Na presença de fluxo, cada uma das extremidades se comporta como um centro de rotação para o fluido. Considerando um tubo horizontal e fluxo da esquerda para a direita, no lado esquerdo o fluido se afasta do centro de rotação, que é a extremidade esquerda do tubo, e o inverso ocorre no outro lado. No lado esquerdo do tubo aparecerá uma força de Coriollis perpendicular ao tubo e apontando para fora e no lado direito aparecerá uma força de Coriollis apontando para dentro. Essa combinação de forças provocará uma deformação do tubo, fazendo com que a amplitude da senóide seja diferente em cada lado. Os medidores de tubo reto são muito usados nas indústrias alimentícia e farmacêutica, devido à facilidade de instalação e de limpeza interna.
Os medidores por efeito Coriollis fornecem uma leitura direta da vazão mássica com grande precisão (0,1% do fundo de escala para líquidos e 0,35% para gases em alta pressão) e mediana rangeabilidade (10:1). Além disso, permitem a medição conjunta da densidade e da viscosidade do fluido. Como desvantagens, apresentam a incapacidade de trabalhar com grandes vazões (máximo a 700 t/h em tubos de 8") e com gases em baixas pressões, além de produzirem elevada perda de carga na instalação.
Figura 5: medidor tipo Coriollis.
Referências
Disponível em: < http://slideplayer.com.br/slide/1246316/> Acesso em: 21 de maio de 2016.
Disponível em: <http://controleinstrumentacao.com.br/arquivo/ed_110/cv2.html> Acesso em: 21 de maio de 2016.
Disponível em: <http://slideplayer.com.br/slide/3686516/> Acesso em: 21 de maio de 2016.
Disponível em: <http://pt.slideshare.net/marcosromanholo7/rota-33768850> Acesso em: 21 de maio de 2016.
Disponível em: < http://abreueoliveira.com.br/?page_id=70> Acesso em: 21 de maio de 2016.
Disponível em: < http://www.ecr-sc.com.br/loja/index.php?cPath=23_71&osCsid=8gokpjl1265rgsevc5n9nf9p57> Acesso em: 21 de maio de 2016.
Disponível em: <http://www.flowmaster.com.br/index.php/produtos/index/calha-parshall> Acesso em: 21 de maio de 2016.
Disponível em: <https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/9b/Massico.jpg/600px-Massico.jpg> Acesso em: 21 de maio de 2016.
Disponível em: <https://pt.wikibooks.org/wiki/Mec%C3%A2nica_dos_fluidos/Medidores_por_efeito_Coriolis> Acesso em: 21 de maio de 2016.
Disponível em: <http://www.mspc.eng.br/fldetc/fluid_0340.shtml> Acesso em: 21 de maio de 2016.
Barretos, 2016