Guia do medidor de vazão Vortex: compensação de pressão e temperatura

Um medidor de vazão de vórtice mede o fluxo volumétrico detecteo a frequência de vórtices emitidos por um corpo escarpado colocado na corrente de fluxo - um princípio conhecido como efeito von Kármán. Para aplicações que envolvem vapor, gás comprimido ou qualquer fluido onde a densidade muda significativamente com as condições operacionais, um medidor de vazão de vórtice padrão por si só é insuficiente. As variantes de compensação de pressão e compensação de temperatura integram sensores adicionais diretamente no corpo do medidor para calcular o fluxo de massa ou o fluxo volumétrico corrigido em tempo real, eliminando a necessidade de instrumentação externa e cálculos de correção manual. A escolha da configuração correta depende do tipo de fluido, da precisão necessária e se a pressão, a temperatura ou ambas variam durante a operação normal.

Como funciona um medidor de vazão Vortex

O princípio de funcionamento de um medidor de vazão de vórtice é baseado em um fenômeno dinâmico de fluidos bem estabelecido. Quando o fluido passa por uma obstrução não aerodinâmica – chamada de corpo bluff ou barra de derramamento – vórtices alternados são gerados em cada lado do corpo em um padrão regular e repetitivo. Este padrão é chamado de rua de vórtice de von Kármán.

A frequência na qual esses vórtices são eliminados é diretamente proporcional à velocidade do fluido, expressa pela relação de Santorouhal:

f = St × V / d

Onde f é a frequência de desprendimento de vórtices, St é o número de Strouhal adimensional (normalmente 0,17–0,21 para a maioria dos designs de corpo blefe), V é a velocidade do fluido, e d é a largura do corpo do bluff. Como o número de Strouhal permanece quase constante em uma ampla faixa de números de Reynolds, a frequência do vórtice serve como um indicador linear confiável da velocidade do fluxo.

Métodos de detecção

Os vórtices criam flutuações de pressão oscilantes que são detectadas por uma das várias tecnologias de detecção incorporadas ou próximas ao corpo escarpado:

• Sensores piezoelétricos : O tipo mais comum. Um cristal piezoelétrico gera um pequeno sinal de tensão em resposta à força oscilante de cada vórtice. Esses sensores não possuem peças móveis e são altamente confiáveis ​​em serviços de vapor e gás.
• Sensores de capacitância : Detecte o diferencial de pressão criado por vórtices usando um diafragma flexível. Menos suscetível à interferência de vibração do que alguns projetos piezoelétricos.
• Sensores ultrassônicos : Alguns projetos avançados utilizam feixes ultrassônicos direcionados através do diâmetro do tubo para detectar flutuações de velocidade induzidas por vórtices, permitindo medições não intrusivas.

Independentemente do método de detecção, a saída de um medidor de vazão de vórtice básico é um sinal de pulso de frequência proporcional à vazão volumétrica . Converter isso para fluxo de massa ou fluxo volumétrico padronizado requer conhecimento da densidade do fluido – que é onde as variantes de compensação se tornam essenciais.

Por que a compensação é necessária para uma medição precisa da vazão

A saída de pulso de um medidor de vazão tipo vórtice reflete o fluxo volumétrico real nas condições de operação – o volume real que passa pelo medidor naquele momento. Para muitas aplicações líquidas onde a densidade é relativamente estável, isto é suficiente. Mas para gases, vapor e fluidos supercríticos , a relação entre fluxo volumétrico e fluxo de massa é altamente sensível à pressão e à temperatura.

Considere o vapor saturado em duas pressões diferentes:

• Em 5bar (absoluto) , o vapor saturado tem uma densidade de aproximadamente 2,67kg/m³
• Em 10 bar (absoluto) , a densidade do vapor saturado aumenta para aproximadamente 5,16kg/m³

A mesma leitura de vazão volumétrica nessas duas condições representa quase o dobro do fluxo de massa a 10 bar em comparação com 5 bar. Sem levar em conta esta diferença de densidade, um sistema de faturamento de energia a vapor ou de controle de processo baseado apenas na produção volumétrica geraria erros superiores a 30–50% sob condições de pressão variável. A compensação aborda isso diretamente, alimentando dados de pressão e/ou temperatura em tempo real no computador de vazão para calcular continuamente os valores corrigidos.

Medidor de vazão de vórtice de compensação de pressão

A medidor de vazão de vórtice de compensação de pressão integra um transmissor de pressão - normalmente um sensor de pressão piezoresistivo ou do tipo capacitivo - no corpo do medidor junto com o elemento de detecção de vórtice. O computador de fluxo interno usa a leitura de pressão em tempo real juntamente com a frequência de vórtice medida para calcular a densidade do fluido a partir de tabelas de propriedades pré-carregadas e, em seguida, deriva o fluxo de massa ou o fluxo volumétrico corrigido em tempo real.

Quando a compensação de pressão por si só é suficiente

A compensação de pressão é apropriada – e suficiente – quando a temperatura do fluido é constante ou pode ser assumida constante dentro de uma tolerância aceitável. O cenário mais comum é serviço de vapor saturado : como o vapor saturado existe a uma temperatura fixa para qualquer pressão, a medição da pressão por si só define completamente o estado termodinâmico do fluido. Nenhuma medição de temperatura separada é necessária para determinar a densidade.

Aplicações adicionais adequadas incluem:

• Sistemas de ar comprimido onde a temperatura de fornecimento é relativamente estável, mas a pressão da linha varia com o ciclo do compressor
• Distribuição de nitrogênio ou gás inerte em temperatura próxima à ambiente com pressão variável no coletor
• Medição de gás natural onde a variação de temperatura é modesta (dentro de ±10°C de um valor de referência)

Especificações típicas

A maioria dos medidores de vazão vórtice de compensação de pressão no mercado apresentam sensores de pressão integrados classificados para 0–4 MPa ou 0–10 MPa , com precisão de medição de pressão normalmente ±0,5% FS . A incerteza combinada da medição da vazão após a compensação está geralmente na faixa de ±1,0–1,5% de leitura para vapor e gás, em comparação com ±0,5–1,0% para o elemento de vórtice sozinho, medindo o fluxo volumétrico em líquidos.

Medidor de vazão de vórtice de compensação de temperatura

A medidor de vazão de vórtice de compensação de temperatura integra um detector de temperatura de resistência (RTD) - mais comumente um Sensor Pt100 ou Pt1000 classe A — no medidor ou em seu acessório companheiro imediato a montante/jusante. O sinal de temperatura alimenta o mesmo computador de fluxo interno, que utiliza dados de propriedades do fluido para derivar a densidade e calcular a massa ou o fluxo corrigido.

Quando apenas a compensação de temperatura é usada

A compensação somente de temperatura é menos comum que a compensação somente de pressão ou combinada, mas tem aplicações legítimas:

• Fluxo líquido a pressão constante, mas temperatura variável : Circuitos de água quente, sistemas de óleo térmico e circuitos de água de resfriamento onde a pressão do tubo é regulada, mas a temperatura varia de acordo com a carga do processo
• Fluxo de gás com pressão de alimentação estável conhecida : Quando um regulador de pressão mantém firmemente a pressão a montante, mas a temperatura ambiente ou do processo varia sazonalmente ou diurnamente
• Transferência de custódia de gases a pressão regulada : Onde a pressão é fixada por contrato ou regulamento e apenas a temperatura precisa de monitoramento ativo

Colocação de RTD e tempo de resposta

O RTD normalmente é instalado em um poço termométrico posicionado 3–5 diâmetros de tubo a jusante do corpo do medidor de vórtice para evitar perturbar o perfil de fluxo no ponto de medição. O design do poço termométrico é importante: um poço termométrico com paredes pesadas aumenta o atraso térmico, o que pode introduzir erros transitórios durante mudanças rápidas de temperatura. Para processos com oscilações rápidas de temperatura, um poço termométrico com ponta reduzida ou resposta rápida com um tempo de resposta inferior a 5 segundos é recomendado.

Medidor de vazão Vortex combinado de compensação de pressão e temperatura

A variante mais capaz e amplamente especificada integra sensores de pressão e temperatura em um único conjunto de medidor. Com acesso a ambas as variáveis simultaneamente, o computador de fluxo interno pode aplicar a equação de estado completa do fluido – produzindo cálculo do fluxo de massa real sem quaisquer suposições sobre as condições operacionais .

Esta configuração é obrigatória para:

• Vapor superaquecido : Ao contrário do vapor saturado, o vapor superaquecido existe em temperaturas acima da curva de saturação para qualquer pressão. Tanto a pressão quanto a temperatura são variáveis ​​independentemente e devem ser medidas para determinar a densidade nas tabelas de vapor.
• Transferência de custódia de gás natural : Os padrões AGA (American Gas Association) e ISO para medição de gás natural exigem correção das condições de base usando pressão e temperatura
• Gases de processo variáveis : Fluxos de gás misto, biogás ou efluentes gasosos de processo onde a composição e as condições de operação flutuam
• Medição de energia a vapor para faturamento ou alocação : Onde a saída de BTU ou kJ deve ser calculada com precisão em condições de carga variáveis

Fabricantes como Yokogawa (série digitalYEWFLO), Endress Hauser (Prowirl F 200) e Emerson (Rosemount 8800D MultiVariable) oferecem medidores de vazão de vórtice multivariáveis totalmente integrados que medem a frequência, pressão e temperatura do vórtice em uma única conexão de processo, gerando fluxo de massa diretamente via protocolos HART, FOUNDATION Fieldbus ou Modbus.

Comparação: medidores de vazão Vortex padrão versus compensados

Requisitos de instalação que afetam a precisão

Independentemente da configuração de compensação, os medidores de vazão tipo vórtice são sensíveis às distorções do perfil de fluxo causadas pela geometria da tubulação a montante. Atender aos requisitos de operação direta não é negociável para alcançar a precisão nominal.

Requisitos de tubo reto a montante e a jusante

Os seguintes requisitos de operação direta se aplicam à maioria dos medidores de vazão de vórtice sob condições de instalação padrão. Os requisitos reais variam de acordo com o fabricante e o projeto do medidor:

Sensibilidade de vibração e pulsação

Os medidores de vazão Vortex são inerentemente suscetíveis a vibrações mecânicas porque seus sensores detectam forças oscilantes. A vibração da tubulação em frequências próximas à frequência de desprendimento de vórtices pode causar pulsos falsos, queda de sinal ou leituras erráticas . A maioria dos processadores de sinais digitais modernos inclui filtragem adaptativa para discriminar entre sinais de vórtice e ruído de vibração, mas ambientes com vibração severa — próximos a compressores, bombas ou turbinas a vapor — devem ser avaliados cuidadosamente. Montar o medidor em um carretel isolado de vibração ou realocá-lo mais longe da fonte de vibração são estratégias práticas de remediação.

Faixa de fluxo e considerações de fluxo mínimo

Cada medidor de vazão de vórtice tem uma velocidade de fluxo mínima mensurável - normalmente 0,5–1,0 m/s para líquidos and 3–5 m/s para gases e vapor — abaixo do qual a emissão de vórtices se torna irregular e o sinal não é confiável. Este limite inferior é frequentemente chamado de velocidade de corte ou fluxo mínimo detectável. Abaixo deste ponto, o medidor emite zero, independentemente da vazão real, que deve ser considerada em aplicações com amplos requisitos de abertura.

A taxa de abertura prática para a maioria dos medidores de vórtice é 10:1 às 20:1 , em comparação com 100:1 ou mais para Coriolis ou medidores de vazão magnéticos. Para sistemas de vapor que operam regularmente com carga baixa — por exemplo, durante a inicialização da planta ou durante a noite — esta limitação pode causar lacunas significativas na medição, a menos que o medidor seja dimensionado de forma conservadora para a vazão máxima esperada em vez da média.

Uma regra de dimensionamento útil: selecione um tamanho de medidor onde o a velocidade normal do fluxo operacional cai entre 3 e 15 m/s para gás/vapor e entre 1 e 7 m/s para líquidos. Isso garante que o ponto de operação permaneça dentro da faixa linear, deixando espaço para picos de fluxo.

Selecionando a configuração correta do medidor de vazão Vortex

Use os seguintes critérios de decisão para identificar a variante apropriada do medidor de vazão vórtice para sua aplicação:

1. Identifique sua fase fluida e variabilidade : Líquido em condições estáveis → vórtice padrão. Vapor saturado ou gás com pressão variável → compensação de pressão. Vapor superaquecido, gás natural ou qualquer gás com variação de pressão e temperatura → compensação P T combinada.
2. Determine se o fluxo de massa ou o fluxo volumétrico é necessário : O faturamento de energia, a transferência de custódia e o controle de combustão normalmente exigem fluxo de massa. O enchimento do tanque ou a dosagem do processo podem precisar apenas de vazão volumétrica; nesse caso, um medidor padrão ou de compensação única pode ser suficiente.
3. Verifique o número de Reynolds no fluxo mínimo : Os medidores Vortex requerem um número de Reynolds mínimo de aproximadamente Re = 20.000 para derramamento confiável. Para líquidos viscosos ou condições de fluxo muito baixo, este limite pode não ser alcançável e uma tecnologia alternativa deve ser considerada.
4. Avalie o ambiente de instalação : Alta vibração, fluxo pulsante ou curso reto insuficiente podem exigir uma tecnologia de medição diferente ou modificações significativas na tubulação antes que a medição por vórtice seja viável.
5. Avalie os requisitos de comunicação e integração : Medidores de vórtice compensados geram múltiplas variáveis de processo. Confirme se o sistema de controle ou a infraestrutura de aquisição de dados suporta o protocolo de saída do medidor — HART, Profibus ou FOUNDATION Fieldbus — antes de especificar uma unidade multivariável.

Para a maioria das aplicações de medição de energia de vapor — que representam o maior caso de uso único para medidores de vazão de vórtice compensados ​​— uma unidade combinada de compensação de pressão e temperatura é a especificação correta. O custo marginal em relação a um modelo somente de pressão é modesto, enquanto a melhoria da precisão para o serviço de vapor superaquecido é substancial e muitas vezes exigida pelos padrões de gerenciamento de energia do local, como a ISO 50001.