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Medição de Vazão Define-se vazão com sendo a quantidade volumétrica, mássica ou gravitacional de um fluido que passa através de uma seção de uma tubulação.

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1 Medição de Vazão Define-se vazão com sendo a quantidade volumétrica, mássica ou gravitacional de um fluido que passa através de uma seção de uma tubulação ou canal por unidade de tempo.

2 Conceitos Físicos Básicos l 1- Calor Específico l -Quociente da quantidade infinitesimal de calor fornecido a uma l unidade de massa de uma substancia pela variação infinitesimal l de temperatura resultante deste aquecimento. l 2- Relação do Calor específico ( k) l É a relação do calor específico de um volume constante e o calor l específico da pressão constante. l K= Cp/ Cv l Cv;Cp - J/Kg.k

3 l 3- Viscosidade l - Resistência ao escoamento de um fluido em um duto qualquer l 3-1 Viscosidade absoluta ou dinâmica l -atrito interno em um fluido, que se opõe ao movimento relativo de suas moleculas e ao movimento de corpos sólidos que nele estejam l 3-2 Viscosidade cinemática l Relação entre a viscosidade absoluta e a massa específica de um fluido tomados à mesma temperatura.

4 l 4-Tipos de escoamento l - Laminar l - Turbulento l 5- Número de Reynolds - Determina o tipo de escoamento de um fluido em um duto ( turbulento ou laminar)

5 REGIME TURBULENTO REGIME LAMINAR

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9 Tubo de Pitot

10 Annubar

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12 Tubo Venturi l Os fluido sob pressão, na passagem através de tubos convergentes ganham velocidade e perdem pressão, ocorrendo o oposto em tubos divergentes

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15 Placa de orifício

16 Tipos de placas de orificio - Orificio concentrico

17 - Orificio Excêntricos

18 - Orifício Segmental

19 - Tomada de impulso em placa de orifício - tomada de Flange

20 - Tomada de Vena Contracta

21 - Tomada de Tubulação

22 - Tomada de Canto

23 Dimensionamento de placas l Os seguintes pontos devem ser analisados: l A - características do fluido l A1 - impurezas ou materiais em suspensão l A2 - viscosidade l A3 - característica erosiva l A4 - possibilidade de incrustação l B - características de processo l B1 - perda de carga possível l B2 - pressão diferencial disponível l C - características da instalação l C1 - disponibilidade de trecho reto l C2 - forma da canalização (tamanho, forma) l D - outras l D1 - precisão necessária l D2 - considerações econômicas l D3 - necessidade de instalação em carga

24 Formas de Cálculo l Dados de Entrada l Vazão máxima (Q L ) l Parâmetro do fluido (P, T, etc.) l Características geométricas (D, etc.) l Pressão diferencial ( p) l l Valor Calculado > d

25 Formas de Cálculo l Dados de Entrada l d l Vazão máxima (QL) l Parâmetro do fluido (P, T, etc.) l Características geométricas (D, etc.) l Valor Calculado > Pressão diferencial ( p) l

26 Formas de Cálculo l Dados de Entrada l d l Parâmetro do fluido (P, T, etc.) l Características geométricas (D, etc.) l Pressão diferencial ( p) Valor Calculado > Vazão máxima (QL)

27 Formula de cálculo de placa para líquidos l Onde: l N=0, Número para adequação de unidade l Q L = m 3 /h - vazão máxima de leitura l L = kgf/m 3 - peso específico l D = mm- diâmetro da linha l P = mmH 2 O - valor da pressão diferencial correspondente ao máximo valor do transmissor

28 Formula de cálculo de placa para Líquidos - Número de Reynold l Onde: l Q UL = m 3 /h l L = kgf/m 3 l = cst l D = mm

29 Escolha da pressão diferencial e da relação Beta 1- Na prática recomenda-se o valor de beta entre os valores de 0,5 a 0,7 2- Valores de pressão diferencial utilizados em Siderurgia

30 Transmissor de Vazão por Pressão Diferencial l Os transmissores de vazão por pressão diferencial se baseiam nos mesmos princípios físicos utilizados na tecnologia de medição de pressão. Assim, são utilizados os tipos piezoelétrico; strain-gauge, célula capacitiva,Silício Ressonante etc..., para medir a pressão diferencial imposta por um elemento deprimogenio cuidadosamente calculado para permitir a obtenção da faixa de vazão que passa por um duto. Como a pressão diferencial é relativamente baixa, as faixas de medição destes transmissores são expressas normalmente em mmH 2 O, kPa ou polH 2 O.

31 Relação entre p e Vazão

32 Aplicações do transmissor de Pressão

33 Desempenho do Elemento Sensor Baixa Histerese é a característica mais desejável em um Sensor Elemento Sensor Metal Silicio Grande Histerese Sem Histerese Histerese do Elemento Sensor : Pode ser compensado com Precisão : Pode ser compensado X : Não pode ser compensado Itens a serem Compensados Histerese Não Linearidade Temperatura Pressão Estática Analógico Digital xx

34 Capacidade Multi-Sensora do FT Transistor Temperatura do Circuito Temperatura da Capsula Pressão Estática Pressão Diferencial Sensor semicondutor Diagnóstico

35 Medição de Vazão de Gases FT Plugs Válvulas de Vent TRANSMISSOR Manifold 3-vias Válvulas de Bloqueio Orifício Tomadas na posição superior para aplicação em Gases Válvulas de Dreno Plugs Válvulas de BloqueioX Evitar pontos baixos TRANSMISSOR Manifold 3-vias

36 FT Válvulas de Bloqueio Manifold 3-vias Tomadas na posição inferior para aplicação em Líquidos Válvulas de Dreno Plugs Válvulas de Vent Medição de Vazão de Líquidos Válvulas de Bolqueio X Evitar pontos altos TRANSMISSOR Orifício

37 Medição de Vazão de Vapor FT TRANSMISSOR Tomadas na posição superior para aplicação em Vapor Válvulas de Dreno Plugs Válvulas de Bloqueio Orificío Pote de Condensado Manifold 3-vias

38 Terminal Portátil F1 F2 F3 F4 ENTER Operação On Line sem perturbação da malha de controle RELATÓRIO DATA: NOME:

39 Medidores por área variável Rotâmetros

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41 Referencia para leitura de Vazão com Rotâmetro

42 Instalação de Rotâmetros

43 Disco Nutânte

44 Medidores por Velocidade de Impacto do Fluido

45 Medidor Tipo Turbina

46 Medidores Tipo Eletro-magnético

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48 Magnetic Flowmeters Principio de Operação 4 Corrente de Excitação Força Eletro- Motiva (E) Eletrodos Campo Magnético (B) Tubulação (D) E = B * V * D Velocidade do Fluido (V) Alimentação AC ou DC

49 7 Superior Electrode Seal Molded Liner Construction Mechanically Retained Liner Exposed Electrode Seal Extruded Liner Construction Un-Retained Liner Electrode Sealing Conventional Electrode Magnet Flowtube Construção Mecânica Magnet Flowtube Construção Mecânica

50 Gas Vapor Líquidos Isolantes Líquidos Condutivos Fluidos medidos pelos Magnetic Flowmeter Fluidos medidos pelos Magnetic Flowmeter

51 Relação entre Excitação e Sinal de Vazão Excitação AC Excitação Pulso DC Excitação por Dual Frequência Forma de onda da Excitação Forma de onda do sinal de vazão Baixa Vazão Alta Vazão

52 MAGNETIC FLOWMETERS Principio de Operação O X Estabilidade de Zero Ruim Bom Lama Ruidos AC Powered Excitation OO Estabilidade de Zero Bom Lama Ruidos Dupla Frequência de Excitação X O Estabilidade de Zero Ruim Bom Lama Ruidos Pulsed DC Excitation

53 Magnetic Flowmeters Principle of Operation Excitation Excitation Zero Slurry Noise Fast Power Technique Waveform Stability Immunity Response Consumption AC powere (60 Hz) Pulsed DC Dua Frequency = Excellent = Good = Fair X = Poor Comparison of excitation techniques

54 Linearizadores de fluidos

55 Medidores vazão mássica

56 Mass M, moving from the centre to the edge of a rotating plate will take path B If mass M is guided by wall A, a Coriolis Force will be exerted on the wall. Mass M, moving from the centre to the edge of a rotating plate will take path B If mass M is guided by wall A, a Coriolis Force will be exerted on the wall. Efeito de CORIOLIS V fluid velocity wall A path B W angular velocity M Coriolis Force : Fc = - 2MVxW

57 Fluid flowing in a rotating elastic tube deflects the tube. v fluid velocity w angular velocity deflection Efeito de CORIOLIS

58 No Flow : Parallel Vibration Mass Flow : Coriolis Twist PRINCIPIO DE OPERAÇÃO

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60 CONSTRUÇÃO do SENSOR de VAZÃO Choice of flange sizes A A Section A - A Excitation Driver Coriolis Twist Detection Inner Box Outer Box Secondary Containment Temperature sensor

61 M=Mass flow rate A c =Amplitude of coriolis oscillation A e =Amplitude of excitation oscillation S k =Sensor constant (calibration constant) =S k(20°C) (1+S kt x (T-20°C)) temperature correction S k(20°C) =Sensor constant at 20°C f v =Excitation frequency S kt =temperature correction coefficient (material constant) Equações matemáticas Equação da Vazão:

62 Equações matemáticas Equação densidade: with =density f l (20)=exciting frequency of the empty tubes at 20°C f v (20) =exciting frequency of the filled tubes at 20°C KD=density calibration constant f v (20) =fv / (1+FKT (T - 20 °C)) temperature correction of the actual frequency FKT=temperature correction coefficient, depending on material and size

63 Medidores vazão por ultra som

64 64 Principio Básico do Ultrasonic flowmeter l Tecnologia por Tempo de trânsito –Baseado na medição do tempo (diferença) –Larga área de aplicação »Liquidos, gases and Vapor - medidores não são universais »Instalação tipo Clamp-on, spool-piece e wetted » Performance muito boa l Tecnologia por efeito Doppler –Basedo na medição da atenuação da frequência –Limitada área de aplicação »Somente paraLiquidos com particulas em suspensão (ou bolhas de ar) »Somente instalação tipo Clamp-on –Performance moderada d Transit-time

65 65 Tipos de Ultrasonic flowmeter US300 Medidores Ultrasonic Flow In-line flowmeters Clamp-on flowmeters Spool piece Weld-in Transit-time Doppler Single or Dual Beam Multi-beam (Custody transfer) Clean liquids or Gas Clean liquids or Gas Clean liquids and High Pressure Gas Clean liquids or Gas Single or Dual Beam Dirty liquids and Aerated liquids Transducers are either intrusive (wetted) or non-intrusive Transducers are non-intrusive 5-beam custody transfer spool piece gas flowmeter Make Instromet Dual beam spool piece liquid or gas flowmeter Make Krohne Single beam Weld-in liquid flowmeter Make Endress+Hauser Single beam Clamp-on liquid flowmeter Make Yokogawa

66 66 Ultrasonic flowmeter types Ultrasonic Flow Measurement In-line flowmeters Clamp-on flowmeters Spool piece Weld-in Transit-time Doppler Single or Dual Beam Multi-beam (Custody transfer) Clean liquids or Gas Clean liquids or Gas Clean liquids and High Pressure Gas Clean liquids or Gas Single or Dual Beam Dirty liquids and Aerated liquids Transducers are either intrusive (wetted) or non-intrusive Transducers are non-intrusive

67 67 t t The Transit-time principle t t

68 68 Como funciona o transdutor l Piezo cristal é exitado –Por aplicação de Tensão l Frequência de Exitação –1 Mhz (type C & D transducers) –4 Mhz (type B transducers) l Alta frequencia, Alta resolução l Alta frequencia, Alta atenuação (damping) l Baixa frequencia para grandes tubulações, Alta frequência para pequenas tubulações Piezo-electric crystal Shape of sound pulse

69 69 Limitação da tecnologia Tempo de Transito l Visibilidade Sonica entre os transdutores é mandatoria l Entrada de ar ou solidos em suspensão ira dificultar ou inviabilizar medição l Limite de aplicação depende de –Taxa de amostragem –Processamento do Sinal d O O O O O O O O O O O O O O Air bubble or particle

70 70 Tecnologia por efeito Doppler l Principio Doppler : –Onda Sonora é transmitida –Particulas refletem a onda –Ocorre mudança de Frequência l Pontos fortes: –Medição Não-intrusiva –Liquidos devem conter particulas –Interessantes para medição de pastas l Pontos fracos: – Baixa Performance –Performance depende do % solidos d. Solid particle Transmitted sound wave Received sound wave Flow velocity ~ difference in frequency

71 71 Transit-time versus Doppler technology l Transit-time - 70% –Based on the measurement of time (difference) –Wide area of application; good performance »Liquids, gases and steam - meters are not universal »Clamp-on, spool-piece and wetted-sensor type of meters l Doppler - 8% –Based on the measurement of frequency shift –Limited area of application; moderate performance »Liquids with particles (air bubbles) only - pastes »Clamp-on type meters only l Others - 22% –Open-channel and hybrid technologies

72 72 Portable meter l Dual channel meter –Battery powered; up to 12 hours continuous operation –Dual path, net flow calculation –Optional 4-20 mA, pulse and alarm outputs l Medium size and large size pipe transducers –Standard (IP65) and immersible (IP67) versions –Standard and extended temperature versions (200 ºC ) l Data-logging function –Serial interface for connection to PC –PC software

73 73 Fixed meter l Single or dual channel meter –Dual path, net flow calculation –4-20 mA output –Optional second 4-20 mA, pulse and alarm outputs l Medium size and large size pipe transducers –Standard (IP65) and immersible (IP67) versions –Standard and extended temperature versions (200 ºC ) l IP65 housing – Pipe, surface or wall mounting

74 Medidor tipo Vortex

75 75 PRINCÍPIO DE OPERAÇÃO Brisa Leve Fluxo Laminar Não há formação de vórtices Brisa média Fluxo de transição Formação irregular de vórtices Vento forte Fluxo turbulento Formação regular de vórtices

76 76 Princípio de Operação Fluxo laminar, vortices não são formados. NReynolds = 0 a Fluxo de transição, formação de vórtices irregular. NReynolds = a Fuxo turbulento, formação regular de vórtices. NReynolds = >20.000

77 77 PRINCÍPIO DE OPERAÇÃO Vórtices gerados continuamente l Alternam-se de um lado para o outro l A freqüencia de geração dos vórtices é proporcional à velocidade

78 78 Princípio de Operação A formação de Vortex em nuvens se movendo e chocando no topo de uma montanha é um exemplo de um fenômeno natural de formação de vórtices. Mountain Top Vortices

79 79 Princípio de Operação O fluxo quando encontra o Shedder Bar se divide, e devido ao formato do anteparo ocorre a formação dos vórtices. Através do anteparo, os vortices criam um diferencial de pressão alternado. O anteparo é fisicamente estressado em direção ao lado de baixa pressão do anteparo. A direção da força alterna a frequência de formação dos vórtices. Flow Crystal A Crystal B Force H L Um cristal piezoelétrico converte um stress mecânico em um pulso elétrico. Esse sinal é convertido em uma saída analógica de 4 a 20 mA ou uma saída de pulsos. Os cristais são hermeticamente selados e não entram em contato com o fluido do processo.

80 80 Princípio de Operação A frequência dos vórtices f é proporcional a velocidade v do fluido. E desta maneira é possível obter a taxa de fluxo através da fórmula: f = St (v/d) onde: f = frequência dos vórtices St = número de Strouhal (constante) v = Velocidade d = espessura do shedder (constante)

81 81 O que é o número de Strouhal? l O número de Strouhal é a relação entre o intervalo de formação dos vórtices e a espessura do shedder. St = d / l

82 82 Relação entre Numero de Strouhal, Reynolds e velocidade LINEAR RANGE MEASURING RANGE 5 x x 10 4 VELOCITY m/s (GAS) 10 m/s (LIQUID) 0,3 m/s (LIQUID) 3,0 m/s (GAS) 7 x !0 7 SPECIFICATION RANGE REYNOLDS NUMBER Strouhal Number

83 83 Medidor de Vazão Vortex

84 84 Medidor Vortex Digital com sensor de temperatura incorporado Sensor de Temperatura (Pt1000 Classe A)

85 85 Mecanismo para medição de vapor saturado Medição de temperatura Cálculo da vazão mássica Cálculo da densidade Vazão Mássica(Qm)=Vazão Volumétrica(Qv)×Densidade(ρ) Calculada pela frequência do vortex (f=St v/d) Curva de vapor saturado

86 86 Protocolo Fieldbus

87 MEDIDOR VORTEX ULTRA-SÔNICO

88 Princípio de Medição Conta a frequência dos vórtices por ultra-som Transmissor T R Receptor T R Sensor não molhado

89 Princípio de Detecção Aceleração da Velocidade do Som Velocidade do Fluido Receptor (R) Desaceleração da Velocidade do Som Transmissor (T) Vórtice Receptor (R) Transmissor (T)

90 Princípio de Detecção Método de Modulação de Fase da Onda de Medição n Mede os vórtices por detecção da modulação da onda de medição n Emprega Onda de Medição para reduzir o eco sonoro Aceleração da velocidade Desaceleração da velocidade Onda de Referência Fase

91 Construção Caixa reduzida O indicador local pode ser girado, sem remover o amplificador Amplificador microprocessado Indicador digital em unidades de engenharia Suporte Sólido À prova de explosão Flanges ANSI/JIS/DIN Fácil remoção Sensor substituível em linha

92 92 Curva de Saída x Vazão SINALDESAÍDASINALDESAÍDA 20 mA 4 mA Q=0 Q MIN Q MAX VA ZÃO Linear com a vazão

93 93 VANTAGENS DO VORTEX l Sinal digital –Não requer ajuste periódico do zero –Saída de pulsos para totalizaçào l Baixo custo de instalação l Grande rangeabilidade l Saída inerentemente linear l Baixa perda de pressão l Mede líquidos, gases e vapor l Imune a variações de viscosidade e densidade

94 94 ALTA PRECISÃO ALTA PRECISÃO l Medição de Líquidos ± 1 % da leitura l Medição de Vapor ±1.5% da leitura Medição de Gases ±1.5% da leitura l Repetibilidade: ± 0.2%

95 95 Aplicações do VORTEX Melhores Aplicações –Fluidos limpos de baixa viscosidade (< 3cp) –Vapor e gás –Hidrocarbonetos de baixa viscosidade –Água, químicos muito pouco corrosivos Aplicações a Serem Estudadas –Líquidos de média viscosidade (< 7cp) –Químicos levemente corrosivos –Lamas de baixa concentração ( menos de 1%)

96 96 Alguns Sensores Típicos

97 97 Requisitos para Medição de Vapor Vapor Aberta O shedder deve ser resistente Aberta O condensado atinge oshedder com força Condensado Vácuo Fechada

98 98 Medição de Vazão de Vapor TX TRANSMISSOR A posição da tomada de impulso é normalmente voltada para cima Válvula Dreno Válv. de Bloqueio Placa Pote de Condensado Manifold de 3 Vias YEWFLO Plugue

99 99 MENOS PONTOS PASSÍVEIS DE VAZAMENTO 3 Sources Vortex Meter Up to 46 Sources

100 100 Orientações para a Instalação do Vortex

101 101 Transmissor de Temperatura Transmissor de Pressão Computador de Vazão 2 à 7D1 à 2D Trechos Retos de Tubulação Tomadas de Pressão e de Temperatura

102 Trecho Reto de Tubulação à Montante 10 D Curva 10 D Tê Válvula Gaveta Totalm. Aberta 10D 5D Válvula de Controle 30-50D Trechos Retos para Manter a Precisão Redução 10D Expansão 10D

103 103 Líquidos Contendo Bolhas Correto Errado Correto Recomendações de Instalação do vortex para Medição de Líquidos

104 104 CORRETO ERRADO Válvula de Controle Instalação de Válvula de Controle na Tubulação do Vortex

105 105 Instalação para Manter o Vortex Cheio com o Líquido de Processo Correto Errado

106 Instalação com válvula (Correto) (Errado) Válvula de bloqueio Sentido do Fluxo Válvula de bloqueio Instalação Para Manter o Vortex Cheio com o Líquido de Processo

107 107 Recomendações de Instalação do Vortex para a Medição de Gases Errado Correto

108 108 Recomendações de Instalação do Vortex para a Medição de Gases Aplicações Comuns Correto Errado Aplicações com Possibilidade de Fluxo Pulsante Errado Correto Válvula de Controle

109 109 Geralmente, é melhor selecionar o Vortex de diâmetro imediatamente menor que o da tubulação para aumentar a faixa de medição. Escolha do Vortex de Tamanho Ideal Redução 1 tamanho menor que o da tubulação Vortex

110 110 Recomendações de Instalação Correto Errado Correto

111 111 Exemplos de operação Medição estável em linhas com vibração! Alta estabilidade. Não precisa ajustes no start- up.

112 Medidor em canal aberto


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