Instrumentação 2017 Parte V (Vazão)

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Instrumentação
Prof. Gilson Gomes de Medeiros
Parte V
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Medição de Vazão
Conceitos
Determinação da quantidade (mássica, molar ou volumétrica) de líquidos, gases e/ou sólidos que passa por um local específico na unidade de tempo  vazão instantânea
Determinação da quantidade total - (mássica, molar ou volumétrica) de líquidos, gases e/ou sólidos - movimentada, num intervalo de tempo  totalização 
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Medição de Vazão
Definição matemática (e unidades)
Vazão volumétrica: Q = V / t
	Unidades: litros/min, m3/h, galões/min etc.
Vazão mássica: Q = m / t
	Unidades: kg/min, ton/h, g/s, lb/min etc.
Vazão molar: Q = n / t
	 Unidades: mols/s, mols/h, mols/min
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Medição de Vazão
Vazão volumétrica
Necessita da especificação das “condições base” consideradas
Medição de líquidos: especificação da temperatura (0 ºC, 15 ºC, 20 ºC etc.)
Medição de gases: especificação da temperatura e da pressão
Se for a pressão atmosférica e 0 ºC  Nm3/[tempo]
Se for a 14,696 psia e 60 ºF  SCF/[tempo]
Obs.: Nm3 = metro cúbico normal
		 SCF = standard cubic feet (pé cúbico padrão)
		 SCFM = pé cúbico padrão por minuto
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Medição de Vazão de Gás Natural
Equipamentos de medição de vazão 
de gás natural
Placa de orifício
Turbina
Medidor ultrassônico
Medidor tipo Coriolis
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Medição de Vazão de Gás Natural
Medição de Gás Natural 
com o Uso de Placa de Orifício
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Medição com Placa de Orifício
Baseia-se na instalação de uma placa de orifício (elemento deprimogênio *) numa tubulação aonde um fluido escoa, preenchendo completamente a tubulação
	* Origina um P entre os pontos a montante e a jusante da placa
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De todos os elementos primários inseridos em uma tubulação para gerar uma pressão diferencial e assim efetuar medição de vazão, a placa de orifício é a mais simples, de menor custo e portanto a mais empregada.
Consiste basicamente de uma chapa metálica, perfurada de forma precisa e calculada, a qual é instalada perpendicularmente ao eixo da tubulação entre flanges. Sua espessura varia em função do diâmetro da tubulação e da pressão da linha.
Medição com Placa de Orifício
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Medição com Placa de Orifício
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Medição com Placa de Orifício
Determinação da vazão (conforme a norma ISO 5167-2)
valor medido de P
características do fluido
parâmetros do medidor: diâmetro do orifício (d) e diâmetro interno da tubulação (D)
Ponto de medição de temperatura (T)
o poço do termômetro deve ocupar o menor espaço possível
localizado preferencialmente a jusante da placa, a uma distância mínima de 5D e máxima de 15D
posicionamento a montante: ver regras da norma ISO 5167-2
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Medição com Placa de Orifício
Pontos de tomada de pressão (P)
nos cantos da placa (corner taps)
nos flanges (flange taps)
a distâncias D (a montante) e D/2 (a jusante) da placa 
(D-D/2 ou vena contracta taps).
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Posicionamento das tomadas de pressão
tomadas de canto
tomadas de flange
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Posicionamento das tomadas de pressão
Tomadas de
flange
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Medição com Placa de Orifício
Sistema de medição de vazão por placa de orifício
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Medição com Placa de Orifício
um dos métodos mais difundidos para a medição de GN
dados de entidades da área de instrumentação mostram que, nos Estados Unidos, cerca de 50% dos medidores de vazão usados pelas indústrias são desse tipo
no Brasil, estima-se o uso desse sistema em cerca de 80 a 85% das medições de gás com fins fiscais, operacionais e de transferência de custódia
este uso tão disseminado ao longo do tempo é devido a vários fatores:
simplicidade e baixo custo de instalação e manutenção desse tipo de elemento primário
valores relativamente baixos das incertezas
extensos estudos efetuados ao longo de muitos anos com esse tipo de medidor 
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Medição com Placa de Orifício
Características da placa:
Planeza ou planicidade
Determinação da planeza de uma placa de orifício:
1 – diâmetro da placa de orifício (d); 2 – diâmetro interno da tubulação (D); 3 – gabarito de comprimento D; 4 – orifício;
5 – divergência da planeza, medida na borda do orifício; valor máximo = 0,005(D – d)/2.
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Medição com Placa de Orifício
Características da placa:
Rugosidade (Ra)
é o desvio médio aritmético da superfície em relação à linha média do seu perfil
na prática, Ra pode ser medido com equipamento padrão para superfícies usinadas, mas pode somente ser estimado para superfícies mais rugosas de tubulações
a rugosidade da face a montante da placa de orifício deve atender ao critério Ra < 10-4 d, dentro de um círculo de diâmetro maior ou igual a D, concêntrico com o orifício.
não há necessidade de se prover, na face a jusante, o mesmo acabamento de alta qualidade da face a montante
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Medição com Placa de Orifício
ISO 5167-2/2003 – Requisitos Construtivos e de Instalação
A parte da placa de orifício interna à tubulação deve ser circular e concêntrica com a linha central da tubulação.
As faces da placa de orifício devem ser sempre planas e paralelas. (Ou seja, a face a jusante deve ser plana e paralela em relação à face a montante.)
Cuidados devem ser tomados para assegurar que não ocorram deformações na placa devido à magnitude da pressão diferencial ou qualquer outro estresse, que impliquem em uma divergência na planeza da placa maior que 1%.
A rugosidade da tubulação a montante da placa deve obedecer aos critérios previstos na norma. A rugosidade da tubulação a jusante não é crítica.
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Medição com Placa de Orifício
Trechos Retos
Os trechos retos das tubulações, adjuntos à placa de orifício, utilizados nas medições fiscais de gás natural, devem ser inspecionados, interna e externamente, para verificar se atendem aos requisitos dimensionais estabelecidos pelas normas aplicáveis.
Caso sejam verificados danos ou quaisquer outras anormalidades, ações deverão ser tomadas para correção da não-conformidade.
Do mesmo modo que nas inspeções da placa, também devem ser disponibilizados para a ANP e/ou o Inmetro, quando solicitados, os documentos comprobatórios dessas inspeções.
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Medição com Placa de Orifício
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Medição com Placa de Orifício
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Medição com Placa de Orifício
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Medição com Placa de Orifício
Placa de Orifício (uso do rugosímetro)
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Medição com Placa de Orifício
Inspeção de trechos retos
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Medição com Placa de Orifício
Documentos comprobatórios dessas inspeções devem ser disponibilizados para a ANP e/ou o Inmetro, quando solicitados.
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Medição de Vazão de Gás Natural
Medição de Gás Natural 
com o Uso de Turbinas
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Medição com Turbina
Características gerais
A turbina é um dispositivo que se baseia sua medição na velocidade do rotor, que gira proporcionalmente à intensidade da vazão
As revoluções do rotor são
contadas mecânica ou
eletricamente e podem ser
convertidas em um volume
continuamente totalizado
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Medição com Turbina
Chama-se fator K da turbina o coeficiente que relaciona o número de pulsos gerados por unidade de volume:
Uma vez que a rotação da turbina é definida pelo fluxo de fluido sob condições operacionais, para fins de faturamento o volume registrado deve ser corrigido para as condições de referência.
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Medição com Turbina
Esquema de um medidor tipo turbina para gases
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Medição com Turbina
Vantagens
Devido à sua característica de excelente desempenho, têm aplicações de altíssima exatidão. Por essa razão, a turbina é usada como padrão para a calibração e a aferição de outros medidores.
A sua saída de pulsos é conveniente para a totalização direta da vazão.
A relação linear entre a frequência de pulsos e a vazão resulta em grande rangeabilidade.
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Medição com Turbina
Desvantagens: 
as turbinas são muito sensíveis às condições de fluxo, tendo um desempenho fortemente afetado por variações na vazão, viscosidade, densidade, temperatura e pressão.
exigem, ainda, fluidos limpos e velocidade uniforme.
podem
sofrer desgaste das pás ou travamento do rotor;
apresentam inércia para baixas vazões.
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Medição com Turbina
Instalação recomendada de um medidor tipo turbina
tubulações a montante e a jusante: do mesmo diâmetro nominal do medidor
trechos retos: 10D a montante, 5D a jusante
nos trechos retos, não deve haver nenhum tipo de conexão na tubulação, permitindo-se apenas a instalação de retificador de fluxo (localizado a 5D da entrada do medidor), tomadas de pressão e poço para instalação do sensor de temperatura.
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Medição de Vazão de Gás Natural
Medição de Gás Natural 
com Medidor Ultrassônico
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Medição por Medidor Ultrassônico
Esta metodologia de medição se fundamenta na geração de sinais ultrassônicos e na sua detecção depois deles terem sido influenciados pelo escoamento do fluido.
já é bastante estudada e aplicada desde a década de 70
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Medição por Medidor Ultrassônico
O medidor de vazão ultrassônico usa a velocidade do som como meio auxiliar de medição (Delmée, 2003). Consiste geralmente de:
transdutores ultrassônicos  cristais piezoelétricos usados como fonte de ultrassom, para enviar sinais acústicos que passam no fluido antes de atingir os sensores correspondentes
sensores que avaliam os sinais emitidos e recebidos e os convertem para um sinal padrão de saída, proporcional à vazão
Existem medidores ultrassônicos nos quais os transdutores são presos à superfície externa da tubulação e outros com os transdutores em contato direto com o fluido (situação mais comum).
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Medição por Medidor ultrassônico
Técnicas empregadas: 
efeito Doppler;
correlação cruzada;
tempo de trânsito.
Esta última é a recomendada pela AGA 9 (norma acatada pelo RTM) para a medição de gás natural.
Os medidores ultrassônicos por tempo de trânsito são adequados para a medição de fluidos relativamente limpos, ou seja, sem partículas em suspensão.
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Medição por Medidor ultrassônico
Vantagens: 
Medidores de vazão ultrassônicos são, essencialmente, bidirecionais.
Como estes medidores são não-intrusivos, a perda de carga permanente é essencialmente zero. 
Não possui peças que podem gerar ou juntar detritos, nem peças móveis que se desgastem. Como resultado, não necessita de lubrificação, limpeza nem qualquer outra manutenção de rotina.
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Medição por Medidor ultrassônico
Desvantagens
Bolhas de ar no fluido ou redemoinhos e distúrbios gerados por acidentes antes do medidor podem espalhar as ondas de ultrassom, causando dificuldades na medição. 
Variações da temperatura do processo podem alterar a velocidade do som no fluido, piorando o desempenho do medidor. 
Há problemas com medições de pequenas vazões, pois há uma diferença muito pequena entre os tempos de transmissão a favor e contra a vazão do fluido. 
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Medição por Medidor ultrassônico
Princípio de 
funcionamento dos 
medidores 
ultrassônicos por 
tempo de trânsito
transdutores normalmente localizados ao longo da parede da tubulação, em contato direto com o fluxo gasoso
pulsos acústicos ultrassônicos transmitidos por um transdutor são recebidos por outro, e vice versa.
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Medição por Medidor ultrassônico
Princípio de funcionamento dos medidores ultrassônicos por tempo de trânsito
os tempos com que os pulsos, emitidos pelos transdutores, percorrem a distância L se diferenciam por um intervalo t
o intervalo t é função da velocidade do escoamento
a medição pode ser realizada medindo-se os tempos de trânsito diretamente ou usando medição de frequência ou fase
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Medição por Medidor ultrassônico
Vazão volumétrica (Q): é determinada pelo produto da área da seção transversal (A) e a velocidade média axial do fluido (v).
Q (m3/s) = v (m/s) × A (m2)
área da tubulação: pode ser previamente conhecida
velocidade v: a ser determinada
Por meio de uma dedução matemática adequada, chega-se à equação
t - intervalo de tempo medido
L, cos  - parâmetros definidos no projeto do equipamento
c - velocidade do som.
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Medição por Medidor ultrassônico
Trajetória única
Um par de transdutores,
passando pelo eixo do tubo
Trajetórias múltiplas
 Medidor multicordas 
Arranjos dos transdutores
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Medição por Medidor ultrassônico
Trajetórias múltiplas (multi-path ultrasonic meter)
transmissão dos pulsos ultrassônicos ao longo de duas ou mais cordas ou diâmetros inclinados
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Medição por Medidor ultrassônico
Trajetórias múltiplas (multi-path ultrasonic meter)
A vazão Q é determinada pela equação Q = A . Vm , onde A é a área da seção transversal e Vm é a velocidade média do fluxo, determinada a partir das diversas medições.
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Medição de Vazão de Gás Natural
Medição de Gás Natural 
com Medidor Mássico (Coriolis)
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Medição com Medidor Mássico
Tecnologias tradicionais de medição de vazão
 rigorosos procedimentos de instalação para alcançar o desempenho necessário às suas aplicações e garantir a acurácia.
assegurar escoamentos não turbulentos
assegurar que sejam pequenas as variações na composição do fluido a ser medido
utilizar, com frequência, trechos retos de tubulação e/ou condicionadores de fluxo
Medidores Coriolis não exigem os cuidados acima descritos, pois medem diretamente a vazão mássica.
Se a medição desejada for a vazão volumétrica, a conversão deve envolver a densidade do fluido. 
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Medição com Medidor Mássico
Princípio de funcionamento:
Dois tubos paralelos vibram em frequência por meio de bobinas. Qualquer vazão mássica passando pelos tubos gerará forças Coriolis, que aparecem sempre que uma massa se move radialmente num sistema de vibração. As forças têm efeitos opostos nos lados de entrada e saída, deformando os tubos. 
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Medição com Medidor Mássico
Princípio de funcionamento:
A deformação dos tubos causa uma alternância de fases entre as frequências de vibração de ambos os tubos, proporcional à vazão mássica. Esse efeito é detectado por sensores no lado de entrada e saída.
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Medição com Medidor Mássico
Podem ser empregados para uma gama de fluxos gasosos, incluindo misturas. 
Há indicações de fabricantes de que eles podem ser usados, dentro de certos limites, para misturas de líquidos e gases, mas isso é passível de contestação.
A orientação geral é que se deve evitar a condensação de líquidos dentro do tubo de medição.
O ideal é que ele trabalhe com gases limpos, pois deposições de material no corpo do medidor serão indicadas como um erro de densidade.
Entretanto, o próprio fluxo tende a manter o medidor limpo e varrido.
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Medição com Medidor Mássico
Formatos do medidor Coriolis
O medidor mássico de vazão é fabricado em várias formas (forma U: mais usada)
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Medição com Medidor Mássico
Vantagens
excelente exatidão: incerteza frequentemente menor que 0,5%
com o advento de novas tecnologias de processamento de sinais, alguns medidores Coriolis têm sido capazes de apresentar desempenho ainda melhor na medição de gases, com incerteza de até 0,35%.
capacidade de medir fluxos de alta velocidade sem sofrer danos  possibilita a aplicação de um único aparelho em uma ampla faixa de fluxo
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Medição com Medidor Mássico
Vantagens
estabilidade de funcionamento
a maioria dos medidores Coriolis não experimenta um desempenho variável com o tempo
evidência do desempenho do medidor Coriolis ao longo do tempo: resultados de calibrações em um equipamento instalado por 9 anos em uma caverna úmida utilizada para armazenamento de gás natural  não há diferença significativa entre os valores obtidos pela calibração inicial – feita com água – e pelas calibrações – com água e com ar – depois de todo esse período de instalação.
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Medição com Medidor Mássico
Desvantagens
geralmente insensível a distúrbios ocorridos a montante, mas pode ser sensível às influências vibratórias externas
provoca grande perda de carga nas linhas
presença de corrosão, erosão ou acúmulo de produtos no conjunto de tubos  alteração na sua performance
cuidados com a calibração e a seleção do material empregado, e instalação correta, podem evitar o surgimento desse problema.
Recentes projetos têm melhorado a sensibilidade aos fluxos, conseguido uma menor perda de carga e aumentado a imunidade a ruído.
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Medição com Medidor Mássico
O emprego dos medidores Coriolis não exige condicionamento dos perfis de fluxo nem tubulações especiais a montante.
Normalmente, não há imposições acerca de trechos retos a montante nem a jusante, adjacentes ao medidor.
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Medição com Medidor Mássico
Características dos medidores :
material padrão do tubo medidor: aço inoxidável AISI 316L
são também construídos com ligas de níquel resistentes à erosão
quando os fluidos medidos são mais agressivos, por exemplo, contendo cloretos, podem ser usados tubos de Hastelloy, Monel, tântalo ou com revestimentos convenientes
podem ser utilizados para medir fluxos com velocidades similares àquelas de outras tecnologias de medição
para fluxos com partículas abrasivas, a velocidade máxima através dos tubos deve ser de 2 m/s (6 ft/s)
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Medição com Medidor Mássico
Características dos medidores (cont.):
não exigem compensações devidas a variações na pressão e na temperatura do fluido (o que reduz os preços de aquisição, instalação e manutenção, bem como a incerteza para todo o sistema de medição)
não é afetado por pulsações de fluxo
(Obs. - único medidor de vazão com esta característica.) 
fluxos anormalmente elevados não causam danos nem perda de medição
custo de instalação comparável com os demais medidores
praticamente não necessita de manutenção, principalmente operando com fluidos limpos.
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Medição com Medidor Mássico
Requisitos de Instalação
Os sensores do medidor coriolis geralmente são imunes a distorções do perfil de velocidade e a efeitos de turbulência
Há necessidade de bons suportes para os tubos, de modo a minimizar o esforço sobre a estrutura do corpo do sensor.
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Medição com Medidor Mássico
Requisitos de Instalação
É preferível que o medidor seja posicionado em uma parte relativamente alta da tubulação, verticalmente e acima da linha do fluxo principal (configuração tube up), de forma a permitir que qualquer líquido formado na corrente seja drenado do medidor, não se acumulando e assegurando o seu funcionamento correto.
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Medição com Medidor Mássico
Configuração típica de instalação de um medidor Coriolis
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Medição com Medidor Mássico
Requisitos de Instalação
Fluxo de líquido através dos tubos – sem se acumular – não prejudica o medidor.
Durante a passagem de um fluxo bifásico pelos tubos, será observado um sinal errático de saída. No entanto, o medidor retornará em seguida para a operação normal, sem danos ou necessidade de calibração.
Isso é um contraste marcante em relação à medição de vazão de gás por turbinas ou placas de orifício, que pode ser significativamente prejudicada pela presença de líquidos na corrente.
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Medição com Medidor Mássico
Requisitos de Instalação
As tubulações devem ser inspecionadas periodicamente, desacoplando-se os flanges e os tubos de suporte de cada lado do medidor. Qualquer mudança no alinhamento dos flanges deve ser corrigida.
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