Instrumentação

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UNIVERSIDADE DE MOGI DAS CRUZES
Leonardo Rozendo Braga
Michael Douglas Gouveia Silva
Samuel Almeida Moreira
Wellington Yuri Facundes Viturino
INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL: AQUISIÇÃO DE DADOS
Mogi das Cruzes - SP
2017
UNIVERSIDADE DE MOGI DAS CRUZES
Leonardo Rozendo Braga
Michael Douglas Gouveia Silva
Samuel Almeida Moreira
Wellington Yuri Facundes Viturino
INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL
 	Relatório apresentado à disciplina de Instrumentação Industrial. Trata-se de uma experiência em laboratório sob orientação do professor Geraldo Canuto
Prof. Orientador: Geraldo Canuto
Mogi das Cruzes - SP
2017
Introdução
Rotâmetros
O rotâmetro é o mais conhecido medidor de fluxo de área variável. Foi desenvolvido há vários anos e nas ultimas décadas é que se verificou um maior progresso, permitindo que hoje ele possa ter utilização nas mais diversas situações e condições.
Os rotâmetros são bastante utilizados na indústria química, farmacêutica, petroquímica, alimentar, mecânica. São também bastante comuns em laboratórios  e no tratamento de águas.
Rotâmetro é um tubo graduado no qual se localiza um elemento flutuante com ranhuras helicoidais, de forma que a rotação resultante entre a força de impulso e arraste faça com que se mantenha no centro do tubo. Dependendo da vazão, o flutuante irá se localizar numa certa posição que na escala corresponde a uma vazão predeterminada.
Funcionamento dos Rotâmetros
O fluido - gás ou líquido - desloca-se no rotâmetro da base para o topo, resultando num movimento axial da bóia. Ao longo do comprimento do tubo existe uma relação entre o diâmetro da bóia e o diâmetro interior do tubo. O diâmetro da bóia é fixo ao contrário do tubo interior do rotâmetro que vai aumentando da base até ao topo. Se o fluxo é constante, a diferença de pressão sobre a bóia  iguala o peso efetivo da bóia e esta “fixa-se” na posição que define o fluxo. Quando o fluxo de caudal aumenta também a força que atua na bóia, aumenta. Esta força faz com que a bóia suba para uma posição mais acima. Quando o fluxo diminui a bóia muda de posição para baixo. O fluxo é uma função da altura da bóia.
O tipo de bóia ou flutuador pode ser de diferentes geometrias, como mostra a figura:
Placa de orifício
Este dispositivo mede pressão diferencial em tubulações em função de uma placa inserida entre dois flanges. Consiste em uma placa perfurada com grande exatidão, a qual é instalada perpendicularmente ao eixo da tubulação. Costumeiramente é fabricado em aço inox, monel, latão, dependendo do fluido.
TIPOS DE ORIFÍCIO
Orifício concêntrico: Este tipo de placa é utilizado para líquidos, gases e vapores que não tenham sólidos suspensos.
	
Operam com fluídos limpos ou com partículas de tamanho reduzido e de baixa concentração; possuem precisão elevada, ótima repetibilidade e durabilidade e as equações de seus coeficientes são regidas por normas (ASME, ISO, AGA). Existem, basicamente, três estilos de orifícios concêntricos: 
ORIFÍCIOS DE CANTO VIVO: Apresentam, na face de entrada, uma aresta viva, seguida de parte cilíndrica e um chanfro. A face de entrada deve ser bem acabada e plana e o canto vivo não pode apresentar rebarbas, pancadas ou outras irregularidades. 
Este estilo opera com fluído de baixa viscosidade e sem partículas em suspensão, que poderiam acumular na face de entrada. É o tipo mais comum, sendo usado para ar, gases em geral, líquidos e vapor. 
A forma de construção pode prever instalação entre flanges de orifício ou comuns; a vedação com os flanges pode ser executada por juntas comuns, espirotálicas ou por anéis metálicos (RTJ); construção especial pode incorporar as tomadas de pressão no corpo da placa. 
A presença de condensados nos gases ou de gases nos líquidos pode determinar o uso de pequenos furos de dreno na parte inferior da placa ou de respiro na parte superior; altas pressões diferenciais, somadas à temperatura elevada, determinam placas mais espessas, a fim de evitar empenamento, o que iria contrariar a exigência de alta planicidade.
ORIFÍCIOS 1/4 DE CÍRCULO: Apresenta, na entrada do orifício, um raio na forma de um quadrante; são adequados para líquidos de viscosidade média para alta e somente devem ser usados quando os limites do número de Reynolds tenham sido ultrapassados pelos orifícios de canto vivo; a execução do raio com alta precisão é difícil, requerendo equipamentos e técnicas especiais na inspeção.
 	ORIFÍCIOS DE ENTRADA CÔNICA: A entrada do orifício possui um cone e, posteriormente, uma parte cilíndrica; são adequados para líquidos de viscosidade elevada, com baixos valores do número de Reynolds.
PLACAS DE ORIFÍCIO EXCÊNTRICO OU SEGMENTAL 
Operam com fluídos particulados e tanto o orifício excêntrico como o segmental devem ser posicionados na base do tubo. 
Apresentam os mesmos requisitos de acabamento e planicidade dos orifícios concêntricos. O estilo de construção permite que as partículas, que fluem pela base do tubo, escoem pelos orifícios, sem que haja acúmulo delas na face de entrada da placa.
 MATERIAL DAS PLACAS 
Para aplicações comuns usamos o inox 316 (ou 304), nas normas AISI ou ASTM; aplicações severas de corrosão ou compatibilidade com o fluído podem exigir materiais mais nobres como o Titânio, Monel, Tântalo, Hastelloy, Níquel ou Teflon. Para exigências de abrasão poderemos usar materiais de dureza elevada.
 	Aplicações em vapor com temperaturas superiores a 400ºC exigem o uso do AISI 310; no caso de dúvidas quanto ao material adequado, sugerimos consultar o Guia de Corrosão neste Manual.
TUBOS E NORMAS 
A norma ISA RP 3.2 fornece as dimensões de placas para várias classes de pressão de flanges, para tubos de diâmetros nominais de 1" até 24". 
A norma ISO 5167 possibilita calcular e executar placas para tubos entre 2" e 40".
A norma ANSI/API 2530 fornece dados para execução de placas entre 2" e 30". 
 Entre diâmetros nominais de 1/2" e 1.1/2" a construção é baseada no "ASME FLUID METERS", apresentando sistema de centragem da placa e acabamento especial na superfície interna do tubo; o sistema de medição é composto por trechos retos de tubos calibrados, soldados em flanges especiais que fixam a placa de orifício.
A DETERMINAÇÃO DA VAZÃO
A placa de orifício introduz uma perda de carga. Uma tomada de impulso realiza a leitura de pressão a montante (antes) e a jusante (depois) da placa - P1 e P2. De acordo com o tipo e o dimensionamento da placa, a diferença de pressão entre P1 e P2 nos dará um valor que é convertido em vazão.
Tubo de Venturi
Pertencem, também, à categoria dos elementos primários geradores de pressão diferencial e pode operar com líquidos, gases e vapor; são instalados em série com a tubulação e a passagem do fluído pela garganta gera aumento da velocidade e redução da pressão estática do fluído. A equação da vazão é idêntica à das placas de orifício. 
Dentre as aplicações do Venturi destacamos a medição de ar de combustão de caldeiras, gases de baixa pressão onde se requer perda de carga permanente reduzida e, pelo mesmo motivo, medição de água em grandes dutos.
Apresenta custo de aquisição superior ao das placas de orifício e, como vantagens geram valor reduzido de perda de carga permanente e pode ser aplicado em fluídos sujos; não possui obstáculos à passagem do fluído e, conseqüentemente, não retém partículas.
TIPOS 
Podem ser aplicados em dutos circulares, quadrados ou retangulares; o estilo mais usado é o circular, apresentado em dois modelos: 
 CONE CONVERGENTE DE CHAPA BRUTA: Recomendado até 48"; suas partes são calandradas e, se necessário, a garganta poderá ser usinada após a calandragem.
 CONE CONVERGENTE USINADO: Em tubos inferiores a 10" torna-se difícil a dobra das chapas nas calandras normais e, por este motivo, os Venturis abaixo deste valor são executados por usinagem, partindo de barras maciças ou tubos mecânicos. 
CÁLCULO E EXECUÇÃOAtravés do "ASME Fluid Meters". 
Tubo de Pitot
O tubo de Pitot foi criado em 1732 pelo físico francês Henri Pitot (1665- 1743). Seu principal objetivo era medir a velocidade do fluxo da água no Rio Sena, que atravessa Paris. A partir de então, o tubo de Pitot difundiu-se em diversas aplicações e evoluções decorrentes da primeira tentativa.
O tubo de Pitot funciona basicamente como um medidor de pressão diferencial, necessitando para isso, possuir duas pressões bem definidas e comparadas. A primeira fonte de pressão do sistema é a pressão total tomada na extremidade do tubo de Pitot através de sua entrada frontal principal, relativa ao fluxo de dado fluido. O tubo de Pitot mede não somente a pressão do ar, mas de todos os possíveis fluidos.
A segunda tomada de pressão é a de pressão estática, que pode ou não ser tomada na mesma localidade do tubo de Pitot. Geralmente essa tomada localiza-se nas proximidades da tomada de pressão total, se não, no mesmo corpo do tubo de Pitot, porém também pode estar locada em uma posição totalmente distinta da tomada de pressão total. A tomada de pressão estática precisa estar localizada numa posição de ângulo reto ao fluxo laminar do fluido, para melhor precisão. A diferença de pressão pode então, depois de medida, ser chamada de pressão dinâmica.
Simplificando, o Tubo de Pitot é um tubo com uma abertura em sua extremidade, sendo esta, colocada na direção da corrente fluida de um duto, mas em sentido contrário. A diferença entre a pressão total e a pressão estática da linha nos fornecerá a pressão dinâmica a qual é proporcional ao quadrado da velocidade.
Atualmente o tubo de Pitot possui inúmeras aplicações, entre elas: aviação, náutica, aeromodelismo, vazão de fluxo em tubulações industriais, estudos relacionados aos fluidos, medição de temperatura (com o aparato necessário), simples medição de pressões, altitudes, velocidades, e também auxiliando pesquisas meteorológicas.
 DESENVOLVIMENTO
Materiais Utilizados
- Cronômetro
- Piezômetro
- Tubo de Venturi
- Tubo de Pitot
- Rotâmetro
- Placa de Orifício
Procedimentos
	1 – Ligar a bomba em sua vazão máxima e cronometrar o tempo que se leva para encher o reservatório da bancada, para calcular a vazão
	2 – Observar a vazão indicada pelo rotâmetro presente na bancada de experimento e comparar os valores.
	3 – Medir pressão diferencial com o piezômetro. Importante verificar se não há ar nas mangueiras. Para medir a pressão diferencial no piezômetro, deve-se ligar as mangueiras às conexões do tubo de Pitot.
	4 – Conectar as mangueiras às tomadas de pressão da placa de orifício localizadas no painel em inox ao manômetro diferencial eletrônico. Fazer isto com a bomba desligada e a válvula da linha da placa de orifício fechada. Conectar a outra extremidade das mangueiras no manômetro diferencial eletrônico. Em seguida, ligar a bomba e abrir a válvula, e calcular o valor do coeficiente k da instalação.
 
	5 – Conectar as mangueiras às tomadas de pressão do tubo de Venturi, no painel de inox, e manter as outras extremidades no manômetro diferencial de pressão. Fazer isso com a bomba desligada e a linha do tubo de Venturi fechada. Em seguida, ligar a bomba e abrir a válvula, observar a diferencia de pressão pelo manômetro eletrônico e calcular coeficiente k.
Resultados
Para a realização do experimento, primeiramente calculamos “K”, o coeficiente de cada instrumento pela formula:
Onde a vazão “Q” foi calculado por:
E ∆P pela diferença de pressão observada nos instrumentos disponibilizados.
	Tubo de Venturi
	K=
	1,43
	Volume
m³
	t(s)
	Vazão
	∆P
mca
	0,00617
	10,31
	2,15
	2,25
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	Tubo de Pitot
	K=
	10,33
	Volume
m³
	t(s)
	Vazão
	∆P
mca
	0,01234
	19,81
	2,24
	0,047
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	Placa de Orifício
	K=
	1,21
	Volume
m³
	t(s)
	Vazão
	∆P
mca
	0,13
	15
	2,78
	5,3
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
Usando agora os valores dos coeficientes, calculamos a vazão real, ideal e os erros. Com as seguintes formulas:
	Tubo de Venturi
	% Vazão
	Medições
	h
	t(s)
	Vazão real 
V=A x h/t
	∆P
	Rotâmetro
	Vol Teórico
Q= k.√∆P
	VM %
	Abs
	25%
	1
	100
	24,46
	0,91
	0,600
	0,8
	1,11
	-22,01
	-0,20
	50%
	2
	100
	7,14
	3,11
	4,300
	2,6
	2,97
	4,43
	0,14
	75%
	3
	100
	4,25
	5,23
	10,600
	4,1
	4,67
	10,77
	0,56
	100%
	4
	100
	3,94
	5,64
	15,200
	4,5
	5,59
	0,92
	0,05
	Tubo de Pitot
	% Vazão
	Medições
	h
	t(s)
	Vazão real 
V=A x h/t
	∆P
	Rotâmetro
	Vol Teórico
Q= k.√∆P
	VM %
	Abs
	25%
	1
	100
	21,72
	1,02
	0,055
	0,6
	2,42
	-137,56
	-1,40
	50%
	2
	100
	11,2
	1,98
	0,083
	2,1
	2,98
	-50,34
	-1,00
	75%
	3
	100
	6,28
	3,54
	0,085
	3,2
	3,01
	14,90
	0,53
	100%
	4
	100
	5,63
	3,9
	0,075
	3,4
	2,83
	27,45
	1,07
	Placa de Orifício
	% Vazão
	Medições
	h
	t(s)
	Vazão real 
V=A x h/t
	∆P
	Rotâmetro
	Vol Teórico
Q= k.√∆P
	VM %
	Abs
	25%
	1
	50
	48
	0,2
	0,110
	0
	0,40
	-100,25
	-0,20
	50%
	2
	50
	8
	1,55
	1,680
	1,7
	1,57
	-0,98
	-0,02
	75%
	3
	50
	3,1
	3,75
	5,850
	3
	2,92
	22,12
	0,83
	100%
	4
	50
	5,6
	5,6
	10,500
	4
	3,91
	30,13
	1,69
Conclusão
Com os dados levantados durante o experimento notamos que os elementos primários de restrição no fluxo do fluido apresentam resultados distintos. Dentre os três elementos utilizados (Placa de Orifício, Tubo de Pitot e Tubo de Venturi) o que mais apresenta perda de carga é o Tubo de Venturi por apresentar o maior diferencial de pressão, ou seja, ao passar pelo dispositivo o fluido ganha velocidade que consequentemente gera uma diferença de pressão. Teoricamente a geometria da Placa de Orifício contribui para a grande perda de carga do fluido, porém não foi o que constatamos durante o experimento. A placa de Orifício teve uma perda de carga menor que o Tubo de Venturi.
Dos três dispositivos utilizados no experimento, o Tubo de Pitot foi o que menos apresentou perda de carga, já que a variação de pressão foi mínima comparada com os diferenciais de pressão da Placa de Orifício e do Tubo de Venturi. A perda de carga mínima se dá pelo formato do dispositivo que não interfere muito no escoamento do fluido.
Fazendo uma análise dos quatro valores da válvula de esfera para perda de carga e utilizando os três dispositivos durante o experimento, notamos com os dados coletados que o mais preciso é o Tubo de Venturi por apresentar o menor percentual de erro médio e o menor erro absoluto em relação aos outros dois dispositivos.
Uma outra análise que constatamos com o experimento, é que o Tubo de Pitot apresenta um diferencial de pressão muito próximo em baixa e alta vazão, o que não ocorre no Tubo de Venturi e na Placa de Orifício, na qual o diferencial de pressão cresce gradativamente com o aumento de vazão.
Referências
 ftp://ftp.feis.unesp.br/agr/pdf/catalogos/hidrometria_Bringer.pdf
http://fenomenosguilherme.blogspot.com.br/2010/10/medidores-de-vazao-placa-de-orificio.html
https://www.artigosenoticias.com/artigos/fisica/51/o_que_e_o_tubo_de_venturi_r.html
https://br.omega.com/prodinfo/rotametros.html
http://www.applitech.com.br/prod_AP.html
http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAWfwAE/tubo-pitot