Medição de Vazão em Tubulações

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1 - Qual é a diferença entre escoamento laminar e turbulento. Como se sabe que o regime é 
turbulento? 
 
Laminar: Ocorre quando a velocidade média é relativamente baixa e as partículas do 
fluído tendem a se mover lentamente em camadas. A velocidade das partículas apresenta 
perfil parabólico. 
Turbulento: Ocorre quando a velocidade do escoamento é alta e as partículas dos 
fluídos não escoam suavemente em camadas, implicando no efeito da turbulência e não 
apresenta perfil parabólico. 
 
O número de Reynolds define se um regime é laminar ou turbulento. Se Reynolds 
menor ou igual 2000, o escoamento é laminar. De 2000 a 5000, região de transição. Maior de 
5000, regime turbulento. 
 
2 – Apresente as equações da continuidade e de Bernoulli que regem o escoamento de 
fluidos. 
 
Equação da Continuidade: 
 
 Q = V *A 
 
Onde, Q é vazão, V é velocidade de escoamento e A é área da seção transversal da tubulação. 
 
Equação de Bernoulli: 
 
V1²/2g + P1/p + Z1 = V2²/2g + P2/p + Z2 
 
Onde, V1 é velocidade na seção 1, V2 velocidade na seção 2, P1 pressão na seção 1, P2 pressão 
na seção 2, Z1 altura na seção 1, Z2 altura na seção 2, p é densidade e g aceleração da 
gravidade. 
 
 
3 – Como é feita a medição de vazão por pressão diferencial? 
 
A medição por pressão diferencial envolve a inserção de algum dispositivo na 
tubulação criando uma obstrução e uma pressão diferencial em cada lado do dispositivo. 
Quando uma restrição é colocada, a velocidade aumenta e a pressão diminui. 
O medidor obedece ao teorema de Bernoulli. A vazão volumétrica é proporcional a 
Raiz Quadrada da diferença de pressão através da obstrução. 
O princípio aplicado é alterar a velocidade, geralmente pela mudança da área da seção 
transversal por meio da restrição inserida. Assim, a velocidade no estrangulamento é 
aumentada e existirá uma redução proporcional da pressão. A área da seção transversal 
decresce quando o fluido é forçado a escoar em uma restrição. 
 
4 – O que é vena contracta e qual sua importância para medição de vazão? 
 
Vena Contracta é o ponto onde podemos obter a menor área da seção transversal do 
fluído, é o ponto de velocidade máxima e o de menor pressão. 
 É importante observar que a vena contracta não ocorre exatamente onde está 
localizada a obstrução e sim logo após a obstrução (ver Fig. 5.6 e 5.7). Esse fenômeno ocorre 
devido à inércia do fluido. Esse detalhe também deve ser levado em consideração para a 
colocação de tomadas de pressão. 
 Depois de colocada a restrição, a velocidade é determinada a partir da relação entre as 
áreas e a diferença de velocidade é dada pela medição da diferença de pressões. A vazão é 
obtida pela Eq. da Continuidade e as velocidades e pressão pela Eq. de Bernoulli. 
 A localização desse ponto é 0,35 a 0,85 diâmetros de tubulação a partir da placa de 
orifício, dependendo de Beta e número de Reynolds. 
 
5 – Empregando as equações de Bernoulli e da continuidade deduza a relação entre a vazão 
e a pressão diferencial. 
 
Ver loucura na página 7. 
 
6 – Defina coeficiente de descarga. 
 
É o coeficiente que corrige a diferença entre a velocidade real e a velocidade máxima 
do fluido, devido a perdas de cargas ocasionadas durante o escoamento. Cada elemento 
colocado como obstrução ao escoamento possui um determinado coeficiente de descarga (Cd) 
que deve ser aplicado para encontrar a vazão real. 
 
Qreal = Cd * Qteorica 
 
7 – O que é placa de orifício? Apresente suas características. 
 
É o dispositivo de medição de vazão mais empregado. É um disco de metal com um 
furo estrategicamente posicionado de acordo com a aplicação, sendo inserida na tubulação em 
contato com o fluido. É placa de orifício padrão é constituída de um disco circular, geralmente 
de aço inoxidável de 3,17mm a 12,7mm de espessura, dependendo da aplicação. 
 São equipamentos simples, baixo custo, fácil instalação e manutenção e disponíveis 
para uma grande faixa de vazões. Suas limitações é a imprecisão que varia de +/- 2% até +/- 
5%. Outra desvantagem é que introduzem perda de carga ao escoamento que pode chegar de 
50% a 90% do diferencial de pressão. 
 
8 – Quais são os tipos e aplicações das diferentes placas de orifício? 
 
 Concêntrica: Possui um furo centralizado sendo utilizada para líquidos, gases e vapor 
que não contenham sólidos em suspensão. 
 Excêntrica: Tem formato similar a placa de orifício concêntrica com um deslocamento 
do furo central. Usada em fluidos com sólidos em suspensão, gás contando líquido e líquido 
contendo gás. 
 Segmental: Possui uma abertura disposta em forma de segmento de círculo. É 
recomendada para uso em fluidos laminados e com alta porcentagem de sólidos em 
suspensão. 
 Bordo quadrante e entrada cônica em placas de orifício: Seu uso é limitado para 
baixos números de Reynolds, na faixa de 500 a 10000. Essas placas têm espessura maior e são 
mais pesadas que as placas convencionais. Ver TABELA 5.3 
 
9 – Apresente os tipos de tomada de pressão com suas principais características. 
 
 Tomadas de Flange (Flange Taps): São mais usadas para tubulações de 2” ou mais. São 
feitas por meio de furos nas flanges em uma distância de 1” da placa de orifício. Esta 
localização facilita a inspeção e limpeza. Não são recomendadas para tubulações menores de 
2” e não podem ser empregadas com tubulações de 1,5”, pois a vena contracta pode ser 
menor que 1” a partir da placa de orifício. 
 Tomadas de Vena Contracta: Usa as tomadas de pressão alta localizadas em um 
diâmetro da placa de orifício e a de pressão baixa no ponto de mínima pressão (vena 
contracta). Esta localização é ótima teoricamente, mas pode ficar sujeita a erros se a placa for 
colocada no local incorreto. Se colocada após a vena contracta, estará em uma região instável 
muito longe da baixa pressão. 
 Tomada em Raio (Radius Taps): Similar a vena contracta exceto pelo fato de que a 
tomada à jusante é localizada em meio diâmetro da tubulação a partir da placa de orifício. Isto 
praticamente assegura que a tomada não estará na região instável independentemente do 
diâmetro do orifício. Na prática, é a mais fácil de aplicar. As limitações são as mesmas da 
tomada de vena contracta. 
 Tomadas de Tubulação (Pipe Taps): São localizadas a 2,5 diâmetros a montante e 8 
diâmetros a jusante. Devido a essa grande distância a partir da placa, a localização exata não é 
crítica. Rugosidade da tubulação pode afetar a medição ocasionando erros consideráveis. Esse 
tipo de tomada é recomendado somente em aplicações em que os outros tipos não podem ser 
aplicados. 
 Tomadas de Canto (Corner Taps): São similares a tomadas de flange, exceto em que a 
pressão é medida no canto entre a placa de orifício e a tubulação. São muito comuns em 
aplicações para tubulações menores que 2”. 
 
VER TABELA 5.4 
 
10 – Compare as características de um tubo de Venturi e Dall. 
 
Tubo de Venturi: 
- Precisão de medição de +/- 1% 
- Equipamento de custo mais elevado para medição de pressão 
- Perda de carga de +/- 10% a 15% da diferença de pressão 
- Uso limitado a líquidos e gases limpos e não corrosivos 
- Limpeza difícil e parada do processo para sua retirada 
- Princípio de medição: tomada de pressão alta na entrada e tomada de pressão baixa 
na garganta (localizada no meio do tubo de Venturi). 
 
Tubo de Dall: 
- Forma interna similar ao tubo de Venturi, exceto pela “garganta” interna 
- Proporciona recuperação de pressão muito maior que tubo de Venturi 
- Desprovido de garganta paralela, menor e mais simples. 
- Custo mais reduzido 
- Erro de +/- 1,5% 
- Mais fácil de ser inserido na tubulação 
- Perda de carga de +/- 5% 
- Não se recomenda utilizar para fluidos contendo sólidos 
- Princípio de medição: tomada de pressão alta na entrada da parte convergente do 
tubo e tomada de pressão baixa no finaldo cone convergente e início do cone 
divergente. 
 
11) Para medição de vazão em tubulações de pequeno diâmetro que tipo de técnica deve ser 
empregada? 
 
 Orifício Integral. Esse método combina uma placa com um pequeno furo para restrição 
do escoamento e conexões para medição de pressão diferencial. A medição deve ser feita em 
fluidos limpos. 
 
12) Que elemento pode ser inserido na tubulação para eliminar as turbulências de um 
escoamento? 
 
 Condicionador de Fluxo. Devem ser instalados até dois diâmetros de tubulação até a 
tomada de alta pressão do transmissor. 
 
 
13) Qual a função do bloco manifold em aplicações de medição de vazão? 
 
 Sua função é facilitar a conexão do transmissor com o processo. As válvulas têm como 
função equalizar a pressão nas câmaras do instrumento de medição e desconectar o 
transmissor e isolar o mesmo do processo, sem a necessidade de parada da planta. 
 
14) Apresente os diferentes tipos de tomada de impulso para medição de vazão. 
 
 Vapor: As tomadas de impulso devem estar exatamente na mesma altura e o 
transmissor deve ser instalado abaixo da tubulação do processo para garantir que o vapor 
possa condensar e preencher a tubulação até o transmissor. 
 Gás: As tomadas de impulso devem ser instaladas de forma que o transmissor fique 
acima da tubulação para que os líquidos do processo possam ser drenados. 
 Líquido: As tomadas de impulso devem ser instaladas na lateral da tubulação para 
evitar depósitos de sedimentos nos isoladores do processo. Deve-se montar o transmissor ao 
lado ou abaixo das tomadas para que os gases sejam purgados na linha do processo. 
 
15) Descreva a medição de vazão mássica. 
 
 Neste tipo de medição é feita a aplicação de sistemas microprocessados para obter a 
vazão mássica empregando além da medição de vazão, sensor de temperatura, pressão, entre 
outros para efetuar o cálculo da vazão mássica por meio de equações típicas de cada fluido. 
 Um elemento denominado computador de vazão tem a função de empregar sensores 
de temperatura e pressão para estimar a variação da densidade e calcular a vazão mássica em 
um determinado fluido. 
 
16) Apresente o principio de operação de um medidor mássico termal. 
 
 Esse medidor emprega a teoria da transferência de calor baseada na equação do calor 
específico. Seu princípio de medição é a adição de calor ao fluido através de um sistema de 
aquecimento que está imerso no mesmo. A potência do aquecedor é igual ao calor transferido 
ao fluido (Q) medido por um wattímetro, T1 e T2 são medidos por termopares ou RTDs. 
Conhecendo o fluido, temos seu valor específico. Com esses valores, podemos calcular a vazão 
mássica W. 
 Q = W * Cp * (T2 – T1) 
 
 Como a temperatura do sistema deve ser mantida constante, o instrumento mede a 
potência elétrica em watts e um circuito eletrônico é responsável por fazer o controle da 
temperatura. A energia necessária para manter o sistema em um diferencial de temperatura é 
a função da vazão mássica do fluido. 
 
 
 
 
 
17) Como é feita a medição de vazão mássica com balanças integradoras? 
 
 Esse método é baseado na medição da vazão de sólidos em forma de partículas. A 
vazão mássica é calculada em termos da massa de material em um dado comprimento 
multiplicada pela velocidade da esteira. A vazão mássica é dada por: 
 
 Q = (M * V) / L 
 
 
18) Descreva o efeito Coriolis. 
 
 O efeito de uma força aparente faz com que os corpos se movam para direita no 
hemisfério Norte e para esquerda no hemisfério Sul devido ao movimento da rotação da Terra. 
A magnitude dessa força é relacionada com a massa do corpo e a velocidade de rotação da 
Terra. 
 
19) Descreva o principio de funcionamento do medidor de vazão por efeito Coriolis. 
 
 O medidor de vazão mássica por efeito Coriolis faz com que o fluido entre em rotação 
e vibre em uma freqüência predeterminada sendo feita a conversão do movimento oscilatório 
em um movimento rotacional empregando ferramentas matemáticas. Assim, é feita uma 
reprodução do efeito Coriolis e a força aplicada será medida por sensores colocados próximos 
a tubulação. 
 
 Fc = 2 * m * (W x v) 
 
Onde, Fc é força Coriolis, m é massa do fluido, v é velocidade do fluido, W é velocidade 
angular do tubo. 
 O medidor consiste em um par de tubos vibratórios paralelos ou um único tubo de 
vibração com duas seções em paralelo. Os dois tubos submetidos a uma vibração irão se 
deslocar de acordo com a vazão mássica do fluido escoando por eles. Os tubos possuem 
diversos formatos, o mais empregado é em U. Uma unidade eletromagnética provoca 
excitação em cada um dos tubos em sua freqüência de ressonância. O movimento vibratório 
causa forças nas partículas, essas forças induzem as partículas do fluido em uma direção 
ortogonal à direção do escoamento, produzindo a força Coriolis. A deflexão do tubo é 
diretamente proporcional a vazão mássica do fluido sendo este deslocamento medido por 
sensores. 
 Equação da vazão mássica de Coriolis: 
 
 Q = (k * theta) / 4 * (W x r) * l 
 
 Por fim, a vazão mássica é dada pela defasagem (delta T) entre os sinais dos detectores 
de posição instalados respectivamente à esquerda e a direita do arranjo de tubos. Quando o 
medidor está na condição de vazão zero (Sem escoamento), os sinais dos detectores estão em 
fase (delta T = 0). Quando há vazão dos tubos, a vazão mássica será proporcional a (delta T) 
medido. 
 
Ver página 32 a 36 
 
 
 
 
20) Como o medidor por efeito Coriolis pode ser empregado para medição de densidade? 
 
 Os tubos de medição de densidade são continuamente excitados em sua freqüência de 
ressonância. Quando a densidade se altera, a freqüência de vibração é reajustada. Sendo 
então a freqüência de ressonância função da densidade do fluido, a freqüência é fornecida ao 
usuário como uma variável de saída de medição. 
 Assim, o instrumento opera como um medidor de densidade e a massa específica é 
função da freqüência ao quadrado. 
 
 
 
21) Apresente as vantagens e desvantagens da medição de vazão por efeito Coriolis. 
 
 Vantagens: 
 - Medição direta da vazão sem ser afetado por propriedades do fluido. 
 - Possibilidade de medição de múltiplas grandezas: vazão mássica, densidade e 
temperatura 
 - Grande precisão variando de +/- 0,1% a 0,3% 
 - Sem partes móveis ou rotativas 
 - Baixa manutenção 
 - Medição independente de temperatura, pressão, viscosidade, condutividade e 
densidade do meio 
 
 Desvantagens: 
 - Custo elevado 
 - Limitação de tamanho (típico de 6”) 
 - Temperatura do processo limitada (até 200°C) 
 - Pode causar grandes perdas de carga em algumas aplicações 
 - Em algumas aplicações, medidor será de grande dimensão 
 - Sensível a vibrações 
 - Podem sofrer corrosão e abrasão de partículas do fluido 
 
22) O que é o fator K de um medidor de vazão tipo turbina? 
 
 É a quantidade de pulsos emitidos quando um volume conhecido do fluido passa pela 
turbina. O fator K é obtido pela equação: 
 
 K = f / V 
 
 Onde, f é o número de pulsos em um determinado intervalo de tempo, V é o volume 
em uma determinada condição operacional. 
 Idealmente, o medidor deveria exibir uma relação linear entre a sua saída e vazão 
determinada pelo fator K. Porém, o torque proporcionado pelo fluido no rotor é influenciado 
por fatores como viscosidade, atrito e efeitos magnéticos que varia de acordo com o fator K 
tornando-o menos linear. 
 
 
 
 
 
 
 
23) Apresente as vantagens de desvantagens de um medidor de vazão tipo turbina. 
 
 Vantagens: 
 - Precisão de até +/- 0,2% da vazão 
 - Capacidade de medição de baixas vazões 
 - Excelente repetibilidade 
 - Baixo custo 
 - Fácil instalação 
 - Pequeno tamanho e peso em relação à tubulação 
 - Boa velocidade e resposta 
 
 Desvantagens: 
 - Possuipartes móveis 
 - Sujeito a desgastes mecânicos 
 - Fator K depende da viscosidade, não podendo ser usado em fluidos muito viscosos 
 - Vibrações mecânicas podem ocasionar erros de medição 
 - Perdas mecânicas devido a atritos 
 24) Com o auxilio de equações matemáticas apresente o principio de funcionamento de um 
rotâmetro. 
 
 Consiste em um tubo cônico de medição e um flutuador que é livre para se mover para 
cima ou para baixo dentro do tubo. Esse tubo é montado verticalmente com o fluido a ser 
medido entrando pela parte de baixo do medidor subindo e deslocando o flutuador. 
Quando não há vazão, o flutuador permanece no fundo do rotâmetro e à medida que 
o fluido entra no equipamento, devido à diferença de densidade, o fluido faz com que o 
flutuador comece a se deslocar para cima, apesar de possuir a densidade maior que a do fluido 
a ser medido. A pequena abertura anular entre o flutuador e a parede permite que o fluido 
escoe fazendo com que o flutuador permaneça em condição de equilíbrio. 
Esse equipamento obedece a condições de equilíbrio, relacionando a soma da força de 
arraste com a força de empuxo, resultado na força peso do flutuador. 
 
 W = F + E (ver pág. 43 e 44) 
 
Vantagens: 
- Grande faixa de aplicações para gases, líquidos e vapores 
- Resposta linear para variação de vazão 
- Fácil instalação e manutenção 
- Simplicidade 
- Baixo custo 
- Visualização direta da vazão 
 
Desvantagens: 
- Perda de carga 
- Suscetível a variações de temperatura, densidade e viscosidade 
- Fluido deve ser limpo e sem sólidos suspensos 
- Desgaste devido ao escoamento 
- Opera somente na vertical 
- Dificuldade de conexão com sistemas de automação industrial 
 
 
 
25) Descreva o princípio de funcionamento dos medidores que empregam ultrassom no seu 
princípio de funcionamento: 
 
a) Tempo de trânsito 
 
 Estes dispositivos medem o escoamento por meio do tempo que a energia ultrassônica 
leva para atravessar a seção de uma tubulação ao mesmo sentido e no sentido contrário ao 
escoamento. A diferença entre os tempos é proporcional a velocidade do escoamento V, bem 
como a velocidade do som C no fluido. Assim, conhecendo a área, podemos calcular a vazão de 
fluido. 
 
b) Diferença de freqüência 
 
 É o inverso do tempo de trânsito. Para esta medição, é empregada a diferença de 
freqüência (deltaF) que é proporcional a velocidade do escoamento V, ou V/C. A velocidade é 
função da variação freqüência e de uma constate K do medidor que leva em conta o ângulo do 
ultrassom em relação ao eixo x e a distância entre os transdutores no fluido. 
 
c) Doppler 
 
 O efeito Doppler explica que o comprimento de onda do som recebido por um 
observador estacionário a partir de uma fonte que se move em direção ao observador é menor 
e que quando a fonte se afasta o comprimento de onda aparenta ser maior. 
 O transmissor de um medidor de vazão tipo Doppler envia um feixe de ondas 
ultrassônicas em uma freqüência em torno de 0,5MHz no fluxo do escoamento e detecta a 
freqüência refletida, que é deslocada proporcionalmente a velocidade do escoamento. A 
diferença entre a velocidade transmitida e refletida é chamada de freqüência de batimento e 
seu valor tem relação direta com a velocidade de reflexão nas superfícies contidas na corrente 
do escoamento. 
 A onda ultrassônica é projetava por um cristal piezoelétrico montado ao lado de fora 
da tubulação. Parte da energia é refletida pelas bolhas e partículas no líquido e retorna através 
da parede da tubulação para um receptor. Como os elementos refletores (bolhas, partículas) 
viajam na velocidade do fluido, a freqüência da onda refletida é deslocada de acordo com a 
velocidade do escoamento permitindo a medição da vazão. 
 
d) Vantagens e desvantagens 
 
 Vantagens: 
 - Pode ser utilizado em tubulações de pequenos e grandes diâmetros 
 - Não gera perda de carga 
 - Não possui partes móveis 
 - Medição de vazão de forma não intrusiva 
 - Precisão de 1 a 0,3% do fundo da escala 
 - Capacidade de medir vazão em ambos os sentidos 
 
 Desvantagens: 
 - Custo elevado 
 - Não é indicado para altas temperaturas 
 - Presença de bolhas e sólidos pode afetar a intensidade (caso do medidor por tempo 
de trânsito) 
 - Precisão da medição pode ser afetada por vibrações na tubulação 
 - Necessita uma quantidade mínima para refletir o sinal (caso do medidor por Doppler) 
26) Apresente o principio de funcionamento do medidor de vazão tipo vortex e seus tipos de 
detectores. 
 
 À medida que há um aumento da velocidade do fluido, o mesmo passa pelo obstáculo 
posicionado no meio da tubulação fazendo com que exista uma região de baixa pressão logo 
após o obstáculo. A velocidade do fluido na região baixa inicia um escoamento turbulento, 
formando vórtices. 
 A velocidade é função da largura do anteparo e da freqüência de formação dos 
vórtices. Assim, esses vórtices são medidos por um detector, que é bastante insensível a 
variações de densidade, viscosidade, temperatura e pressão. 
 
 Tipos de detectores: Circular, Retangular, Retangular com duas partes, Forma de T, 
Delta F, Delta com duas partes 
 
 Ver Fig. 5.72 
 
 Vantagens: 
 - Precisão de rangeabilidade 
 - Design simples 
 - Suporta temperaturas até 425°C 
 - Baixa manutenção devido à inexistência de partes móveis 
 
 Desvantagens: 
 - Bom desempenho com fluidos limpos e com baixa viscosidade 
 - É linear para Reynolds até 20000 e não recomendado para Reynolds menor que 4000 
 - Vibração é um problema porque trabalha com cristais piezoelétricos para captar a 
formação dos vórtices. Este problema pode ser resolvido com o emprego de filtros específicos. 
 
27) Descreva o funcionamento do medidor de vazão eletromagnético. 
 
 O princípio de funcionamento do medidor se deve a tensão induzida em um condutor 
submetido a um campo magnético, sendo a direção de movimento do condutor, o campo 
magnético e a tensão induzida, perpendiculares entre si. 
Quando um par de bobinas é energizado, um campo magnético é gerado em um plano 
perpendicular ao eixo do líquido condutor ao plano dos eletrodos. O escoamento do fluido é 
ao longo do eixo longitudinal do corpo do medidor de vazão. Desta forma a tensão induzida é 
perpendicular a V e a B. Uma vez que o campo magnético é constante e o diâmetro da 
tubulação é fixo, temos que o valor da tensão será proporcional somente a velocidade. 
 
 Vantagens: 
 - Não causa obstrução do escoamento 
 - Não possui partes móveis 
 - Não causa perda de carga 
 - A potência no circuito medidor é baixa, em torno de 15W a 20W 
 - Pode ser empregado em locais com ácidos, bases, soluções aquosas 
 - Resistente a corrosão 
 - Podem ser empregados em fluidos com sólidos, pois tem boa resistência a abrasão e 
erosão 
 - Tem capacidade de medições pequenas (3,175 mm) até grandes (3,04 m) 
 - Podem ser empregados em vazões bidirecionais 
 
 
Desvantagens: 
 - Não trabalham com fluidos não condutivos. Não podendo medir substâncias puras, 
hidrocarbonetos e gases 
 - Sensível a ruídos 
 - Cuidados na instalações elétricas 
 - Custo elevado 
 - Produtos podem aderir nos eletrodos causando erros de medição 
 - Efeito magnético com fluidos que possuem alguma propriedade magnética 
 
 
28) Apresente as vantagens e desvantagens dos medidores de vazão apresentados no 
capítulo. 
 
 Ver PDF no moodle - TABELA de vazão.