Novas tecnologias em instrumentos de medição de vazão

MEDIDOR DE VAZÃO POR DISPERSÃO TÉRMICA (CALORIMÉTRICO)
 
O primeiro medidor/chave de vazão baseado no princípio de dispersão térmica, foi desenvolvido em 1964 em Bakersfield, Califórnia-EUA, para detectar a parada do escoamento da mistura óleo+água e sal em tubulações, devido ao inverno rigoroso que costumava congelar as linhas na época. Nessa época, este instrumento tinha apenas a função de chave de fluxo.
O princípio de medição do medidor de vazão calorimétrico é baseado na dispersão térmica, onde um primei


ro sensor de temperatura é aquecido internamente em alguns graus Celsius acima da temperatura do fluido a ser medido. Quando este fluido escoa pela tubulação onde o sensor calorimétrico está instalado, o calor gerado nesse sensor através do seu circuito interno, será disperso através da velocidade do fluido. Assim, quanto maior for essa dispersão térmica entende-se que maior é a vazão, visto que o sensor aquecido tende a reduzir sua temperatura conforme o aumento da vazão.
Um segundo sensor de temperatura, não aquecido, é utilizado para medir a temperatura do fluido, possibilitando assim uma referência de comparação e compensação ao circuito de medição do conjunto medidor.
A temperatura do sensor aquecido é medida e comparada então com a temperatura do sensor não aquecido (que mede a temperatura do fluido de processo), para efeito de correção. A medição pode ser realizada em qualquer tipo de fluido, seja ele líquido ou gás, através do diferencial de temperatura obtido pelo circuito de medição, da temperatura do sensor aquecido e do sensor não aquecido que tem a referência do fluido de processo separadamente (figura 1).
 




 

Figura 1 – Princípio de funcionamento do medidor de vazão por dispersão térmica.
 
O medidor de vazão calorimétrico não possui partes móveis, por isso ele não está sujeito a falhas devidas a corrosão de eixos, rolamentos, desgastes mecânicos em geral.
Este tipo de medidor é altamente confiável, sua aplicação já foi aprovada em diversos tipos de indústrias. Ele é utilizado hoje em dia como chave de fluxo e medidor de vazão, pois possui ambas funções; como chave de fluxo já ocupa uma posição de mercado diferenciada, pois em indústrias de bebidas, siderúrgicas, óleo e gás, química, água e esgoto, este tipo de medidor calorimétrico está presente em praticamente 80% das aplicações de chaveamento e controle ON-OFF de fluxo.
O princípio calorimétrico ou dispersão térmica vem sendo usado para medidores de vazão com a concepção de chave de fluxo e/ou medidor de vazão calorimétrico de dispersão térmica há menos de 10 anos; o desenvolvimento completo desta tecnologia com as características de medição atuais foi concluído por volta do ano de 2000 por algumas empresas fabricantes de instrumentos da Alemanha.
Dessa forma, sua posição de mercado é diferenciada, pois em tão pouco tempo é largamente empregado fornecendo confiabilidade na medição e controle, menor tempo de parada e baixo custo de manutenção, dentre outros fatores como aprovações diversas, inclusive aprovação para instalação em áreas EEx.


A COMPENSAÇÃO DE TEMPERATURA NO MEDIDOR CALORIMÉTRICO
Quando o primeiro sensor é aquecido, ele depende da velocidade de escoamento do fluido para ter sua temperatura dispersa e, assim, ter essa temperatura reduzida, proporcionalmente à vazão do fluido. Com essa redução de temperatura, será calculada a vazão medida no escoamento do fluido em determinado momento, por isso o medidor deve possuir um circuito de correção para a temperatura, uma vez que com o aumento da temperatura do fluído medido, sua vazão pode aumentar.
Se o medidor não possuir uma correção inteligente de temperatura, a indicação da vazão poderá manter-se no mesmo valor, uma vez que a redução de temperatura ou dispersão térmica no sensor de medição é cada vez menor com o aumento da temperatura do fluido.
No referido caso será necessário um outro sensor incorporado ao medidor/instrumento (segundo sensor) que mede a temperatura do fluido e avisa ao circuito do medidor a temperatura atual do fluido para que o mesmo execute a correção necessária da vazão, conforme a velocidade atual de escoamento do fluido.
De acordo com o aumento da temperatura do fluido, existe uma tendência cada vez maior de erro de medição nesse tipo de medidor, que será eliminada através da correção inteligente da temperatura, efetuada pelo circuito de medição com a referência da temperatura atual do fluido, obtida através do segundo sensor de temperatura do conjunto. Essa diferença de medição de vazão entre um medidor calorimétrico com correção inteligente e outro sem correção pode ser observada na figura 2.
 



 
Figura 2 – Diferença entre a medição de velocidade do fluido através de um medidor calorimétrico com correção de temperatura e outro sem correção.
 
A equação que define a medição de vazão pelo medidor de vazão calorimétrico ou dispersão térmica é a seguinte:
 
QL = Dispersão térmica no sensor aquecido (vazão volumétrica);
ΔT = Diferencial de temperatura entre o sensor aquecido e a temperatura do fluido;
K = Condutividade térmica do fluido;
Cv = Capacidade do calor específico do fluido em volume constante;
p = Densidade do fluido;
v = Velocidade do fluido;
d = Diâmetro do sensor aquecido.
 
Essa equação comprova que a vazão medida no medidor de vazão por dispersão térmica está diretamente relacionada à dispersão térmica da temperatura no sensor aquecido e a temperatura medida do fluido em questão.


 
 

Características principais do medidor tipo calorimétrico

- Medição de líquidos e gases; - Sem partes móveis, livre de manutenção; - Precisão: 1% do Span*; - “Repetibilidade”: 0,25%*; - “Rangeabilidade”: 100/1*; - Temperatura máxima: 135ºC*(nota 1); - Resposta rápida; - Alta confiabilidade; - Alta sensibilidade; - Baixíssimo custo de instalação e montagem; - Instalação e montagem simplificada; - Sem perdas de carga;   Nota 1: Limite máximo da temperatura operacional em casos especiais, variando de acordo com o fabricante e modelo do medidor de vazão / chave de fluxo tipo calorimétrico.

 
 

Vantagens principais do medidor tipo calorimétrico

- Longa vida útil de operação; - Ótimo custo benefício; - Alta versatilidade; - Alta Robustez; - Aplicável em fluidos sujos e viscosos; - Configuração simples e rápida; - Compensação e Correção inteligente de temperatura*; - Classes de Proteção IP 67 e IP 68*; - Aprovado para limpeza CIP/SIP*; - Aprovado para indústria alimentícia e de bebidas em geral*; - Aprovado para atmosferas explosivas EEx*;   (*) Nem todos os modelos e fabricantes de medidores de vazão / chaves de fluxo do tipo calorimétrico possuem essas vantagens e características.

 

Aplicações

- Tratamento de água, esgoto e efluentes; - Indústria Química; - Indústria Siderúrgica; - Indústria de Bebidas e alimentícias; - Indústria Farmacêutica; - Indústria Têxtil; - Indústria de Fertilizantes; - Metalúrgicas; - Geração de energia; - Óleo e Gás; - Papel e Celulose; - Indústria Petroquímica; - Indústria Automobilística; - Centros de Pesquisa;   Observação: Esses medidores também são muito utilizados como setpoints e controles de segurança de máquinas, maquinários e pequenos sistemas.

 
Na figura 3 observa-se um sistema de condicionamento de amostras de hidrocarbonetos, onde o medidor/chave de fluxo calorimétrico é utilizado como chave de fluxo para a proteção da bomba evitando que a mesma funcione sem fluido.
 



 


Figura 3 – Sistema de condicionamento de amostras em indústria petroquímica.
 
Na figura 4 temos um sistema de filtragem de líquidos alcalinos, onde o medidor de vazão calorimétrico monitora a vazão dos filtros, quando a vazão é diminuída a um valor de vazão mínimo que indica o momento da substituição do elemento filtrante; o medidor atua como chave de fluxo desligando o sistema para que a substituição seja realizada.
 


 


Figura 4 – Sistema de filtragem de líquidos alcalinos em indústria química.
 
No sistema de resfriamento de água mostrado na figura 5, o medidor de vazão calorimétrico assegura uma vazão suficiente de água para o resfriamento do sistema de solda dos robôs (figura 6), evitando assim paradas de produção e sobreaquecimento dos robôs devido à falta de refrigeração.
 




 


Figura 5 – Sistema de resfriamento de água em indústria automobilística.

 



 


Figura 6 – Robô em processo de soldagem em indústria automobilística.
 
Nas cabines de pintura de automóveis, via sistema de sprays automáticos, chaves de fluxo do tipo dispersão térmica (calorimétrica) já são largamente utilizadas para evitar o desperdício de tinta quando os bicos dos sprays são obstruídos. Assim, o sistema é avisado da obstrução dos sprays devido à ausência de vazão de tinta detectada pelos sensores calorimétricos que desligam o sistema de pintura automaticamente para que o mesmo sofra a devida manutenção nos bicos dos sprays.
As chaves de fluxo calorimétricas também são aplicadas na dosagem de produtos químicos em efluentes industriais, tais como o sulfato ferroso, que é usado para neutralizar fosfatos. A chave de fluxo calorimétrica assegura a dosagem contínua de sulfato ferroso dentro dos limites de acordo com a pré-análise de fosfatos no efluente. Se o sulfato é adicionado abaixo do limite, a indústria proprietária do efluente estará sujeita a multas ambientais impagáveis.
Em fornos de processamento de aço (indústrias siderúrgicas), o resfriamento deve ser realizado continuamente através de uma vazão mínima de água resfriada, que deve ser controlada e mantida acima desse valor mínimo durante todo o tempo, sem interrupção. Atualmente, uma boa parte dessas aplicações de monitoramento e controle de vazão de água resfriada para fornos de processamento de aço é realizada através da utilização de medidores de vazão/chaves de fluxo do tipo calorimétrico devido a sua confiabilidade, robustez, longa vida útil e ótimo custo benefício.



* Matéria originalmente publicada na revista "Mecatrônica Atual"; Ano 4;  Nº 22 - Jun / Jul - 2005