O que é um medidor de vazão Vortex e como funciona?

O que é fluxo de vórtice: a física por trás dos medidores de vazão de vórtice

O que é fluxo de vórtice no contexto da medição de vazão? Refere-se ao fenômeno de desprendimento de vórtices, um efeito da mecânica dos fluidos que ocorre quando uma corrente de fluido encontra um corpo escarpado (não aerodinâmico). O fluido que flui não consegue seguir os contornos nítidos do corpo escarpado, separa-se de sua superfície e forma vórtices alternados no sentido horário e anti-horário que se espalham dos dois lados do corpo em um padrão regular e repetido. Este padrão de vórtices alternados é chamado de rua do vórtice Karman, em homenagem ao físico húngaro-americano Oodore von Kármán, que caracterizou matematicamente o fenômeno no início do século XX.

O número Strouhal: por que a frequência do vórtice é igual à velocidade do fluxo

A principal relação física que torna o desprendimento de vórtices útil para medição de fluxo é a relação de Strouhal. Para uma determinada geometria de corpo escarpado em um determinado tubo, a razão entre a frequência de desprendimento de vórtices (f) e a velocidade do fluido (V) dividida pela dimensão característica do corpo escarpado (d) é uma constante adimensional chamada número de Strouhal (St):

St = f × d ÷ V

Para corpos bluff de medidores de vazão de vórtice bem projetados, o número de Strouhal é constante em um intervalo de números de Reynolds de aproximadamente 10.000 a 4.000.000 , o que significa que a frequência de desprendimento é estritamente proporcional à velocidade nesta ampla faixa. Reorganizar o relacionamento Strouhal dá:

f = St × V ÷ d

Como St e d são fixos para um determinado corpo do medidor, medir a frequência f diretamente fornece a velocidade V e multiplicar pela área da seção transversal conhecida do tubo fornece a vazão volumétrica. Este é todo o princípio de funcionamento de um Medidor de vazão vórtice : contar vórtices, calcular velocidade, calcular volume. O medidor Fator K (pulsos por unidade de volume) codifica o número Strouhal combinado e a geometria do tubo em uma única constante de calibração que converte a contagem bruta de pulsos em taxa de fluxo na eletrônica do transmissor.

Como os vórtices são detectados: tecnologias de sensores

As flutuações de pressão alternadas criadas pelos vórtices liberados são pequenas (normalmente 0,1 a 10% da pressão da linha ) mas mensurável. Comercial Medidor de vazão vórtice os projetos usam diversas tecnologias de sensores para detectar essas flutuações de pressão:

• Sensores piezoelétricos: A tecnologia de detecção de vórtice mais amplamente utilizada. Um cristal piezoelétrico montado dentro ou atrás da barra de corte gera uma pequena carga elétrica em resposta ao estresse mecânico causado por cada flutuação de pressão. Os sensores piezoelétricos são robustos, não requerem alimentação externa para o próprio elemento sensor e operam em faixas de temperatura muito amplas.
• Sensores capacitivos: Um diafragma fino desvia em resposta à pressão alternada do vórtice, alterando a capacitância de um elemento detector. Sensores capacitivos fornecem alta sensibilidade em baixas vazões e são usados ​​em alguns projetos de medidores premium para estender a rangeabilidade no regime de baixa vazão.
• Detecção ultrassônica de vórtice: Alguns projetos de medidores usam um feixe ultrassônico que atravessa o tubo perpendicularmente ao fluxo. Cada vórtice que passa modula o feixe ultrassônico, e essa frequência de modulação é a frequência de desprendimento do vórtice. A detecção ultrassônica não possui peças móveis molhadas e é usada em aplicações de serviços corrosivos e de alta pureza.

Número de Reynolds e fluxo mínimo: a limitação prática do fluxo de vórtice

A relação Strouhal é válida apenas acima de um número de Reynolds mínimo, normalmente Re superior a 10.000 a 20.000 dependendo do projeto específico do medidor. Abaixo deste limite, o desprendimento de vórtices torna-se irregular e não periódico, impossibilitando a medição precisa do fluxo. Isso define a vazão mínima mensurável para um determinado fluido em um determinado tamanho de medidor. A velocidade mínima necessária para manter Re acima de 10.000 depende da viscosidade cinemática do fluido: para água a 20°C isso é aproximadamente 0,3 a 0,5m/s , enquanto para óleos viscosos (acima de 10 cSt) pode ser significativamente maior. Esta limitação do número de Reynolds é a principal razão pela qual os medidores de vazão de vórtice não são adequados para aplicações de fluidos de alta viscosidade.

Medidor de vazão de vórtice de inserção: projeto, instalação e dimensionamento para tubos grandes

O medidor de fluxo de vórtice de inserção é um instrumento tipo sonda projetado para ser inserido através de uma única rosca na parede do tubo, em vez de ser instalado em linha como um carretel de furo completo. A sonda se estende na seção transversal do tubo até uma profundidade onde amostra a velocidade do fluxo em um ponto específico, e essa velocidade pontual é usada para calcular a velocidade média e a vazão volumétrica de toda a seção transversal do tubo por meio de uma relação velocidade-fluxo calibrada. Os medidores de vórtice de inserção são a escolha dominante para tubos acima de aproximadamente DN 200 (8 polegadas) onde os medidores de vórtice de passagem total se tornam muito caros e pesados.

Construção de um medidor de vazão de vórtice de inserção

Um típico medidor de fluxo de vórtice de inserção consiste em:

• Corpo da sonda de inserção: Um eixo de sonda cilíndrico ou aerodinâmico que passa através da parede do tubo e entra na corrente de fluxo. O comprimento da sonda corresponde ao diâmetro do tubo, de modo que a barra de alívio na ponta da sonda seja posicionada na profundidade de medição apropriada, normalmente em 15 a 20% da linha central do tubo ou na própria linha central, dependendo da suposição do perfil de velocidade usado na calibração.
• Barra de alívio na ponta da sonda: Um corpo bluff em forma de T ou D que gera desprendimento de vórtices no ponto de medição. A geometria do shedder é usinada com tolerâncias precisas para garantir um número Strouhal consistente e repetível.
• Isolamento da junta de vedação ou da válvula esférica: A sonda é vedada contra a pressão do tubo por uma gaxeta no ponto onde a sonda sai da parede do tubo. Os medidores de vórtice de inserção hot-tap incluem uma válvula de isolamento que permite que a sonda seja inserida ou retraída enquanto o tubo está sob pressão e vazão, sem interrupção do processo.
• Carcaça do transmissor: O invólucro eletrônico montado na parte superior da sonda, contendo o circuito de condicionamento de sinal, display (opcional) e componentes eletrônicos de saída. A caixa é classificada como IP65 ou IP67 para proteção ambiental.

Calibração de profundidade de inserção e fator de perfil de velocidade

A precisão de um medidor de fluxo de vórtice de inserção depende criticamente do conhecimento da relação entre a velocidade no ponto de inserção e a velocidade média em toda a seção transversal do tubo. Essa relação é o fator do perfil de velocidade (também chamado de fator do medidor ou fator de inserção). Para um perfil de fluxo turbulento de tubo totalmente desenvolvido, a razão entre a velocidade da linha central e a velocidade média é de aproximadamente 1,2 a 1,25 , o que significa que a velocidade da linha central é 20 a 25% maior que a média. Quando a sonda é inserida na linha central, a velocidade medida deve, portanto, ser dividida por este fator para obter a velocidade média. O fator do perfil de velocidade é influenciado por:

• Número de Reynolds do tubo: O fator de perfil varia com o número de Reynolds. A medição precisa da vazão requer o conhecimento preciso de Re ou o uso de um medidor com uma profundidade de inserção que minimize a sensibilidade ao formato do perfil (geralmente a aproximadamente 1/6 do raio do tubo a partir da linha central).
• Distúrbios na tubulação a montante: Curvas, válvulas, tês e expansões ou contrações de tubos distorcem o perfil de velocidade da forma turbulenta ideal. Perfis distorcidos requerem tubos retos mais longos ou corretores de perfil para atingir a precisão nominal.
• Precisão da profundidade de inserção: A sonda deve ser posicionada exatamente na profundidade de inserção projetada. Um erro de 10 mm de profundidade de inserção em um tubo de 500 mm introduz um erro de medição de aproximadamente 1 a 3% dependendo do formato do perfil de velocidade naquele ponto da seção transversal do tubo.

Vantagens e limitações de inserção contra medidores Vortex de passagem total

Medidor de fluxo de ar Vortex: medição de ar comprimido, ar HVAC e ar de combustão

A medidor de fluxo de ar de vórtice é um dos instrumentos mais práticos para medir o fluxo de ar em aplicações industriais, comerciais e HVAC. O ar apresenta vantagens e desafios para a medição de fluxo de vórtice: sua baixa densidade significa baixas flutuações de pressão induzidas por vórtice (exigindo detecção sensível), mas sua baixa viscosidade significa que o número de Reynolds está normalmente bem acima do limite de 10.000 para liberação de vórtice, mesmo em velocidades moderadas em tamanhos de tubos padrão.

Medição de ar comprimido: a aplicação mais comum de fluxo de ar em vórtice

Os sistemas de ar comprimido em instalações de produção normalmente operam a Pressão manométrica de 6 a 10 bar . Medir com precisão o consumo de ar comprimido é essencial para auditoria energética, detecção de vazamentos e alocação de custos de ar aos processos de produção. Os medidores de vazão Vortex são adequados para medição de ar comprimido porque:

• Sem peças móveis: As linhas de ar comprimido transportam óleo, água e partículas dos compressores. Um medidor de vórtice sem peças móveis ou rolamentos é muito menos suscetível a incrustações e desgaste do que um medidor de turbina ou medidor de deslocamento positivo em serviço de ar comprimido.
• Ampla faixa de fluxo: A demanda de ar comprimido na fabricação é altamente variável, com demanda variando de quase zero até a capacidade total do sistema em diferentes turnos e cenários de produção. A taxa de abertura do medidor de vórtice de 20:1 a 40:1 lida melhor com essa variabilidade do que medidores de pressão diferencial cuja abertura é normalmente de 3:1 a 5:1.
• Saída de fluxo volumétrico ou mássico com compensação: Moderno medidor de fluxo de ar de vórtices incorporam sensores de temperatura e pressão no mesmo instrumento, permitindo que eles produzam tanto o fluxo volumétrico real (nas condições da linha) quanto o fluxo volumétrico padrão ou fluxo de massa (corrigido para condições de referência de normalmente 20°C e 1 bar ou 0°C e 1,01325 bar). Isto é essencial para a contabilização de energia onde a massa de ar consumida (e não o seu volume à pressão da linha) determina o custo de energia do compressor.

Medição de fluxo de ar HVAC com medidores Vortex

Para medição de fluxo de ar em dutos HVAC na pressão atmosférica ou próximo a ela, medidor de fluxo de vórtice de inserçãos são particularmente populares porque os dutos HVAC são normalmente grandes (DN 200 a DN 1000 e acima) e de construção em chapa metálica retangular ou circular, onde um medidor de passagem total não pode ser instalado. O medidor de inserção estilo sonda é instalado através de um único furo na parede do duto, não necessitando de substituição da seção do duto. Principais considerações sobre aplicação de vórtice HVAC:

• Faixa de velocidade: As velocidades do ar dos dutos HVAC normalmente variam de 2 a 15m/s . Os medidores Vortex operam confortavelmente nesta faixa, embora a extremidade inferior se aproxime do limite mínimo do número de Reynolds para dutos menores. Para dutos de alimentação HVAC abaixo de DN 150 em baixas velocidades, confirme se Re excede 10.000 nas condições de vazão mínima esperada antes de especificar um medidor de vórtice.
• Distorção de perfil em sistemas HVAC: Os dutos HVAC raramente fornecem trechos retos adequados a montante do ponto de medição. Restrições de espaço significam que cotovelos, saídas de ventiladores, difusores e amortecedores geralmente ficam imediatamente a montante de onde o medidor precisa ser colocado. Para tais instalações, é necessária uma medição tipo pitot com média multiponto ou um medidor de vórtice com um condicionador de fluxo imediatamente a montante para obter uma precisão aceitável.

Medição de mistura de ar de combustão e gás natural

Medidores de fluxo de ar Vortex são usados para medição de fluxo de ar de combustão em sistemas de queimadores industriais, caldeiras e fornos onde a proporção de ar para combustível (a relação ar-combustível) deve ser controlada precisamente para eficiência de combustão e conformidade com emissões. Nessas aplicações, o medidor de fluxo de ar de vórtice a saída alimenta diretamente o sistema de gerenciamento do queimador ou controlador de combustão. O medidor deve ser classificado para as temperaturas elevadas do ar normalmente observadas em sistemas de pré-aquecimento do ar de combustão: temperaturas de pré-aquecimento do ar de combustão industrial de 200 a 400°C são comuns e o medidor deve ser especificado com materiais úmidos de alta temperatura e componentes eletrônicos com compensação de temperatura.

Medidor de vazão Vortex para aplicação de vapor: medição de vapor saturado e superaquecido

O medidor de vazão de vórtice para aplicação de vapor é um dos usos mais importantes tecnicamente e comercialmente significativos da tecnologia de vórtice. A medição de vazão de vapor tem sido historicamente dominada por medidores de pressão diferencial (DP) com placas de orifício, mas a precisão superior, menor manutenção e capacidade direta de fluxo de massa dos medidores de vórtice os tornaram a escolha preferida para aplicações de vapor em modernas plantas de processo e sistemas de utilidades.

Por que o Steam é difícil de medir e por que os medidores Vortex são excelentes

A medição de vapor é um desafio por vários motivos que tornam muitas tecnologias de medição de vazão inadequadas:

• Alta temperatura e pressão: Os sistemas de vapor industriais operam em temperaturas de 100°C a 400°C e pressões de 0,5 bar a 40 bar , condições que limitam o uso de instrumentos com vedações de borracha, componentes eletrônicos molhados ou componentes termoplásticos.
• Densidade variável: A densidade do vapor muda significativamente com a temperatura e a pressão. Uma medição de fluxo de massa requer o conhecimento da densidade do fluido nas condições da linha, seja pela medição direta da densidade ou pelo cálculo da densidade a partir da temperatura e pressão medidas usando tabelas de vapor. Os medidores de pressão diferencial medem o fluxo volumétrico e exigem compensação de densidade separada; medidores de vórtice com compensação integrada de temperatura e pressão fornecem saída direta de fluxo de massa.
• Risco de condensação: Os tubos de vapor podem conter pedaços de condensado líquido, principalmente na inicialização e em sistemas com manutenção insuficiente. Gotas de líquido atingindo um sensor de pressão diferencial ou um elemento medidor de deslocamento positivo podem causar danos ou alteração permanente da calibração. Os medidores Vortex com barras de proteção metálicas sólidas e sensores piezoelétricos robustos toleram jatos de condensado muito melhor do que as alternativas.
• Sem peças móveis: O vapor em alta temperatura e pressão requer componentes de instrumento que possam tolerar ciclos térmicos repetidos, pulsações de pressão e o efeito erosivo de partículas ou gotículas arrastadas. Os medidores Vortex não possuem peças móveis no fluxo que possam se desgastar, emperrar ou exigir substituição periódica.

Vapor saturado vs. vapor superaquecido: considerações sobre o medidor Vortex

Os medidores de vazão Vortex lidam com vapor saturado e superaquecido, mas a abordagem de medição e as medições auxiliares necessárias diferem:

• Vapor saturado: Na saturação, a temperatura e a pressão estão ligadas pela curva de saturação do vapor. Medir a temperatura ou a pressão é suficiente para definir o estado do vapor e calcular a densidade a partir das tabelas de vapor. Para aplicações de vapor saturado, um medidor de vazão de vórtice para aplicação de vapor com um sensor de pressão integrado (e opcionalmente um sensor de temperatura) pode calcular a densidade em tempo real e gerar o fluxo de massa diretamente. A faixa típica de sensores de pressão integrados para medidores de vapor saturado é 0 a 25 bar absoluto com uma precisão de ±0,1 a ±0,5% .
• Vapor superaquecido: O vapor superaquecido está totalmente na fase gasosa, sem presença de líquido. Sua densidade é função independente da temperatura e da pressão. Um medidor de vórtice para vapor superaquecido deve medir a temperatura e a pressão da linha e usar as equações de estado do vapor (normalmente das tabelas de vapor padrão IAPWS-IF97) para calcular a densidade em tempo real. A saída do fluxo de massa é então: Fluxo de massa = Fluxo volumétrico × Densidade (T, P) Multivariável mais moderna transmissor de fluxo tipo vórtices execute esse cálculo internamente.

Especificações de material e temperatura do medidor de vórtice de vapor

Para serviço de vapor, o corpo do medidor de vazão vórtice e os componentes internos devem atender aos requisitos específicos de material:

• Material do corpo: Aço carbono ASTM A105 ou aço inoxidável ASTM A182 (SS316/SS316L) para serviço de vapor padrão. Para vapor de alta pressão acima de 25 bar ou vapor com impurezas corrosivas (enxofre, cloretos), são especificados SS316 ou ligas superiores (Hastelloy C, Duplex SS).
• Classificação de temperatura: Padrão medidores de vazão de vórtice para aplicação de vapor são classificados para 260°C a 320°C . Versões de alta temperatura para vapor superaquecido são classificadas para 400°C a 450°C , normalmente usando um design de pescoço estendido que afasta os componentes eletrônicos do transmissor das conexões quentes do processo para manter os componentes eletrônicos dentro da faixa operacional especificada.
• Classificação de pressão: Padrão wafer-body vortex meters are rated to PN 40 (40 barras) nos tamanhos DN 15 a DN 100. Corpos flangeados na mesma faixa de tamanho normalmente possuem classificações de pressão ANSI Classe 300 ou Classe 600 correspondentes a 51bar e 102bar respectivamente a 38°C de temperatura de trabalho.

Transmissor de fluxo tipo Vortex: eletrônicos, saídas e protocolos de comunicação

A transmissor de fluxo tipo vórtice é o módulo eletrônico que aceita o sinal de pulso de vórtice bruto do sensor (piezoelétrico, capacitivo ou ultrassônico), processa-o por meio de algoritmos de condicionamento e filtragem de sinal, calcula a vazão e transmite o resultado ao sistema de controle ou sistema de aquisição de dados por meio de um ou mais sinais de saída padronizados. Em instrumentos modernos, o transmissor é fisicamente integrado ao corpo do medidor, em vez de ser um dispositivo separado de montagem remota, dando ao conjunto compacto a designação de “transmissor inteligente”.

Condicionamento de sinal: de pulsos brutos a sinal de fluxo limpo

O raw signal from a vortex sensor is a low-amplitude alternating signal whose frequency represents the vortex shedding rate. In process environments, this signal is contaminated by several sources of interference that the transmissor de fluxo tipo vórtice deve rejeitar:

• Vibração do tubo: A vibração mecânica de bombas, compressores e ressonâncias estruturais acopla-se ao corpo do medidor e gera sinais espúrios no sensor que podem ser mal interpretados como pulsos de vórtice. Os transmissores modernos usam processamento de sinal adaptativo e algoritmos de discriminação de frequência para distinguir as verdadeiras frequências de vórtice (que rastreiam as mudanças de fluxo suavemente) do ruído induzido por vibração (que normalmente é de banda larga ou em frequências harmônicas fixas).
• Ruído de baixo fluxo: Perto do fluxo mínimo detectável, o desprendimento de vórtices torna-se irregular e os vórtices individuais são difíceis de distinguir do ruído. Transmissores avançados utilizam análise estatística do sinal para detectar a presença de uma frequência de vórtice coerente mesmo em relações sinal-ruído muito baixas, ampliando a vazão mínima efetiva.
• Interferência elétrica (EMI/RFI): Os ambientes industriais contêm fortes campos eletromagnéticos provenientes de acionamentos de velocidade variável, cabos de alimentação, equipamentos de soldagem e transmissores de rádio. A eletrônica do transmissor deve incluir blindagem, filtragem e isolamento adequados para evitar que esses sinais afetem a medição.

Sinais de saída e protocolos de comunicação

A transmissor de fluxo tipo vórtice fornece um ou mais dos seguintes sinais de saída, dependendo do modelo e da configuração:

• Saída analógica de 4 a 20 mA: O universal industry standard for flow rate transmission. The transmitter maps 4 mA to zero flow (or the configured zero of the output range) and 20 mA to the maximum configured flow rate. The 4 to 20 mA signal is immune to line resistance effects (within cable resistance limits) and easy to connect to any PLC, DCS, or panel meter input.
• Saída de pulso (saída de frequência): Um trem de pulso digital onde cada pulso representa um volume fixo de fluido (o fator K do medidor). As saídas de pulso são usadas para totalização em sistemas de controle de lote, sistemas de gerenciamento de energia e aplicações de transferência de custódia onde é necessário um contador integrador em vez de uma exibição instantânea de vazão.
• Protocolo HART: HART (Highway Addressable Remote Transducer) é um protocolo de comunicação digital sobreposto ao sinal analógico de 4 a 20 mA. Permite comunicação digital bidirecional para configuração, diagnóstico e acesso a variáveis ​​secundárias (temperatura, pressão, densidade) sem fiação adicional. HART é o protocolo digital mais amplamente implementado na indústria de processos e é padrão em quase todos os sistemas modernos. transmissor de fluxo tipo vórtices .
• FOUNDATION Fieldbus e PROFIBUS PA: Protocolos de fieldbus totalmente digitais que permitem que vários instrumentos compartilhem um único par de cabos, fornecem diagnóstico e configuração completos a partir da sala de controle e suportam recursos avançados, como a execução de blocos de funções dentro do próprio transmissor. Usado em novas plantas de processo e expansões de refinarias onde a infraestrutura digital completa é especificada.
• Modbus RTU ou TCP/IP: Usado em tratamento de água, automação predial e sistemas HVAC onde SCADA compatível com Modbus ou sistemas de gerenciamento predial são padrão. Muitos medidor de fluxo de vórtice de inserçãos para aplicações HVAC e água fornecem Modbus RS-485 como saída padrão.

Transmissores Vortex Multivariáveis: Temperatura, Pressão e Densidade Integradas

O multivariable transmissor de fluxo tipo vórtice integra medição de temperatura (RTD ou termopar), medição de pressão (transdutor de pressão integrado) e medição de vazão (sensor de vórtice) em um único pacote de instrumento. O transmissor calcula a densidade do fluido em tempo real a partir da temperatura e pressão medidas usando equações de estado integradas para vapor, gás natural, ar e outros fluidos de processo comuns e, em seguida, multiplica o fluxo volumétrico pela densidade calculada para gerar o fluxo de massa diretamente. Principais benefícios dos transmissores multivariáveis:

• Contagem reduzida de instrumentos: Um transmissor de vórtice multivariável substitui um medidor de vazão de vórtice mais um transmissor de temperatura mais um transmissor de pressão mais um computador de vazão externo. Isso reduz significativamente os custos de aquisição, instalação, manutenção e calibração.
• Maior precisão do fluxo de massa: Quando a temperatura e a pressão são medidas exatamente no mesmo ponto que a velocidade do fluxo e processadas na mesma eletrônica, os erros temporais e espaciais de instrumentos separados são eliminados. Isto melhora a precisão do fluxo de massa em comparação com um sistema onde a temperatura e a pressão são medidas em pontos separados.
• Saída de fluxo de energia (fluxo de calor): Para aplicações de vapor e água quente, o transmissor multivariável pode gerar fluxo de energia (em megajoules por hora ou BTU por hora) combinando o fluxo de massa com a entalpia do fluido derivada das medições de temperatura e pressão. Esta produção direta de energia é usada na medição de vapor para faturamento de serviços públicos e gerenciamento de energia sem um computador de vazão externo.

Instalação do medidor de vazão Vortex: Requisitos, orientação e comissionamento do tubo reto

A instalação correta é o fator mais importante que determina se um Medidor de vazão vórtice atinge sua precisão especificada em serviço. Mesmo o medidor mais bem calibrado apresentará resultados ruins se for instalado sem um tubo reto a montante adequado, em uma orientação que retenha gás ou líquido no local errado ou sem atenção às conexões do processo.

Requisitos de tubo reto a montante e a jusante

Os medidores de vazão Vortex requerem um perfil de velocidade totalmente desenvolvido e sem distorções para atingir sua precisão calibrada. Distúrbios na tubulação a montante (curvas, válvulas, expansores, redutores) distorcem o perfil e introduzem erros sistemáticos. Requisitos mínimos para tubo reto (D = diâmetro interno do tubo):

• Curvatura única de 90 graus: Mínimo 15D a montante do medidor
• Duas curvas de 90 graus no mesmo plano: Mínimo 20D a montante
• Duas curvas de 90 graus em planos diferentes (fora do plano): Mínimo 25D a montante
• Válvula de gaveta ou válvula de esfera totalmente aberta: Mínimo 10D a montante
• Válvula de controle (parcialmente aberta): Mínimo 30D a 50D a montante devido à grave distorção do perfil
• Requisito a jusante: Mínimo 5D a jusante do medidor before any fitting or valve

Quando estes requisitos de tubo reto não puderem ser atendidos devido a restrições de espaço, um condicionador de fluxo (como um feixe de tubos, uma placa perfurada ou um condicionador do tipo CPA 50E) instalado imediatamente a montante do medidor pode reduzir o trecho de tubo reto necessário para 10D ou menos homogeneizando o perfil do fluxo antes que ele chegue ao medidor.

Orientação de montagem: tubos horizontais, verticais e inclinados

Medidor de vazão vórtices pode ser instalado em tubos horizontais, verticais ou inclinados, mas a orientação de montagem do transmissor e a direção do fluxo em relação à gravidade devem ser consideradas:

• Instalação de tubo horizontal: O transmitter housing should be mounted to the side (at 3 o'clock or 9 o'clock position on the pipe) rather than on top (12 o'clock) for steam or gas service, to prevent condensate accumulation in the meter body. For liquid service, side mounting is also preferred to prevent gas pockets from accumulating at the top of the meter body.
• Instalação de tubo vertical: Para serviços com líquidos, a direção do fluxo deve ser ascendente (de baixo para cima) em uma instalação de tubo vertical para garantir que o corpo do medidor permaneça cheio de líquido. O fluxo descendente em um tubo vertical de serviço de líquidos pode criar condições de enchimento parcial que degradam gravemente a precisão. Para serviços de gás e vapor, a direção do fluxo ascendente ou descendente é aceitável na instalação vertical.
• Orientação do transmissor: O transmitter housing and display should face a direction that allows easy reading by operators and easy access for maintenance without awkward postures. On horizontal pipes, the transmitter is typically rotatable to any orientation in 90-degree increments after meter installation to optimize readability.

Perguntas frequentes sobre medidores de vazão Vortex

1. O que é fluxo de vórtice e como um medidor de vazão Vortex o utiliza para medição?

O que é fluxo de vórtice em termos de medição? É o fenômeno da liberação de vórtices de Karman: quando um fluido passa por um corpo escarpado (barra derramadora), vórtices alternados são liberados de cada lado do corpo em um padrão regular. A frequência de derramamento é diretamente proporcional à velocidade do fluido através da relação de Strouhal (f = St × V ÷ d). Um Medidor de vazão vórtice conta essa frequência usando um sensor piezoelétrico ou capacitivo, converte a frequência em velocidade, multiplica pela área do tubo e gera a vazão volumétrica ou de massa. O número de Strouhal permanece constante para números de Reynolds acima de aproximadamente 10.000 a 4.000.000, fornecendo medição linear nesta ampla faixa.

2. Quais são as vantagens de um medidor de vazão de vórtice de inserção em relação a um medidor em linha de passagem total?

Um medidor de fluxo de vórtice de inserção oferece vantagens de custo significativas para tubos de grande diâmetro, onde um medidor em linha de passagem total exigiria peças de carretel flangeadas grandes, pesadas e caras. O medidor de inserção utiliza uma única tomada de tubo, pode ser roscado a quente (instalado sem desligamento do processo em sistemas pressurizados), cria queda de pressão muito baixa (somente sonda, não passagem total) e lida com tamanhos de tubos de DN 50 a DN 2000 e superiores com o mesmo design de sonda compacto. A desvantagem é a precisão: os medidores de inserção normalmente alcançam ±1,5 a ±3,0% da leitura versus ±0,5 a ±1,0% para projetos de passagem total, porque a medição da velocidade pontual introduz incerteza adicional na suposição do perfil de velocidade.

3. Um medidor de vazão de ar tipo vórtice é adequado para medir o consumo de energia do ar comprimido?

Sim. Um medidor de fluxo de ar de vórtice com compensação integrada de temperatura e pressão é ideal para contabilização de energia de ar comprimido. O transmissor multivariável converte o fluxo volumétrico da linha em fluxo volumétrico padrão (referenciado às condições padrão definidas) ou diretamente em fluxo de massa, que é o que determina a energia consumida pelo compressor. A alta taxa de abertura do medidor de vórtice ( 20:1 a 40:1 ) lida com a ampla variação na demanda de ar comprimido entre turnos e estados de produção, e seu design sem peças móveis é adequado para ar comprimido que pode conter óleo ou umidade arrastados.

4. Por que um medidor de vazão de vórtice é preferido para aplicações de vapor em vez de uma placa de orifício?

A medidor de vazão de vórtice para aplicação de vapor supera um medidor de pressão diferencial de placa de orifício tradicional em serviço de vapor por vários motivos: oferece maior precisão ( ±1,0% da leitura vs. ±2 a ±3% para uma instalação típica de orifício), fornece uma rangeabilidade muito mais ampla ( 20:1 a 30:1 vs. 3:1 a 5:1 para DP), não requer linhas de impulso que possam obstruir ou congelar, não possui placa de orifício fina que sofre erosão sob o vapor e, em sua forma multivariável, fornece saída direta de fluxo de massa sem um computador de fluxo separado. O medidor de vórtice também lida melhor com jatos de condensado do que os medidores de DP com pernas molhadas.

5. Quais saídas um transmissor de fluxo tipo vórtice fornece?

A transmissor de fluxo tipo vórtice normalmente fornece um Saída analógica de 4 a 20 mA representando a taxa de fluxo, um saída de pulso ou frequência para totalização e comunicação digital via Protocolo HART (o mais comum), FOUNDATION Fieldbus, PROFIBUS PA ou Modbus RTU/TCP dependendo do modelo. Os transmissores multivariáveis ​​podem fornecer múltiplas saídas de 4 a 20 mA ou transmitir todas as variáveis ​​(vazão, temperatura, pressão, densidade, vazão de massa) através de uma única conexão de fieldbus digital. A saída de pulso é particularmente importante para aplicações de transferência de custódia e controle de lote, onde é necessário um contador integrador do volume real do fluido, em vez de um sinal de taxa instantânea.

6. Um medidor de vazão Vortex pode medir gás e líquido no mesmo corpo do medidor?

O same physical vortex meter body can measure both gases and liquids because the Strouhal relationship is valid for any fluid above the minimum Reynolds number threshold. However, the meter must be correctly sized for each fluid (velocity range requirements differ significantly between gases and liquids due to density differences), and the transmitter must be configured with the correct fluid properties for each service. In practice, a meter sized for a gas application is typically too large for a liquid application in the same pipe because liquid requires much lower velocities for the same mass flow. Most users specify separate meters for gas and liquid service rather than attempting to use the same meter for both.

7. Qual é a vazão mínima que um medidor de vazão Vortex pode medir?

O minimum measurable flow rate of a Medidor de vazão vórtice é determinado pelo limite do número de Reynolds para liberação de vórtices estável, normalmente Re > 10.000 a 20.000 dependendo do projeto do medidor. Para água a 20°C num medidor DN 50, isto corresponde a uma velocidade mínima de aproximadamente 0,3 a 0,5m/s e uma vazão mínima de aproximadamente 0,3 a 0,6 m³/h . Para gases e vapor, a velocidade mínima pode ser 1 a 3m/s devido aos números de Reynolds mais baixos por unidade de velocidade em fluidos de baixa densidade. O software de dimensionamento do fabricante deve sempre ser usado para confirmar a capacidade de vazão mínima para o fluido, temperatura, pressão e tamanho do tubo específicos.

8. Quanto tubo reto é necessário a montante de um medidor de vazão de vórtice?

Requisitos de tubo reto a montante para um Medidor de vazão vórtice variam de 10D a 50D dependendo do tipo de perturbação a montante. Uma única curva de 90 graus requer um mínimo de 15D; duas curvas fora do plano requerem 25D; uma válvula de controle com abertura parcial requer 30D a 50D. A jusante, é necessário um mínimo de 5D antes de qualquer conexão ou válvula. Quando o espaço de instalação é insuficiente, um condicionador de fluxo reduz o requisito a montante para aproximadamente 10D, independentemente da configuração a montante. O medidor de fluxo de vórtice de inserção normalmente requer mais tubos retos a montante do que medidores de passagem total (15D a 30D) porque a medição da velocidade pontual é mais sensível à distorção do perfil.

9. Quais fluidos NÃO são adequados para medidores de vazão tipo vórtice?

Medidor de vazão vórtices não são adequados para: fluidos de alta viscosidade (acima de aproximadamente 10 a 20 cSt na temperatura operacional) onde o número de Reynolds não pode ser mantido acima de 10.000 em velocidades de fluxo práticas; lamas e fluidos com alto teor de sólidos que podem corroer a barra de derramamento ou depositar-se no sensor; fluxos multifásicos onde líquido e gás estão presentes simultaneamente em quantidades significativas (vapor úmido com qualidade inferior a aproximadamente 0,8, ou líquido com mais de aproximadamente 2% de gás por volume); fluxos pulsantes onde a frequência de pulsação se sobrepõe à faixa de frequência de vórtice esperada; e vazões muito baixas em tubulações pequenas, onde a velocidade mínima exigida não pode ser alcançada sem exceder a queda de pressão máxima aceitável.

10. Como um medidor de vazão de vórtice para aplicação de vapor é dimensionado para um sistema de vapor específico?

Dimensionando um medidor de vazão de vórtice para aplicação de vapor requer o conhecimento das vazões mássicas mínima e máxima, da pressão e temperatura do vapor no ponto de medição e do tamanho do tubo. A partir da vazão mássica e da densidade do vapor (calculada a partir da pressão e da temperatura usando tabelas de vapor), a vazão volumétrica e a velocidade são determinadas. O tamanho do medidor é selecionado de modo que a velocidade mínima do fluxo exceda a velocidade mínima do medidor para liberação estável de vórtices (normalmente 1,5 a 2,5 m/s para vapor) e a velocidade máxima do fluxo não excede o máximo nominal do medidor (normalmente 50 a 80m/s para vapor). A faixa de velocidade resultante define a rotação do medidor em serviço. A maioria dos fabricantes fornece software de dimensionamento ou ferramentas online que realizam esse cálculo automaticamente quando fornecidos com as condições de vapor e faixa de vazão.