Quando você precisa de compensação de temperatura ou pressão para medição precisa de vazão?

Medidores de vazão giratórios medir a taxa de fluxo volumétrico ou de massa de líquidos, gases e vapor, gerando um movimento giratório controlado no fluido que flui e detectando a frequência de oscilações de fluxo secundárias que se correlacionam precisamente com a velocidade do fluxo. Eles ocupam uma posição bem definida na medição de vazão industrial: mais robustos e tolerantes a fluidos sujos do que os medidores de vórtice, mais precisos em uma faixa de vazão mais ampla do que os dispositivos de pressão diferencial e significativamente mais econômicos para instalar e manter do que os medidores Coriolis ou magnéticos para muitas condições de processo. Para medição de vazão de vapor em particular, o medidor de vazão turbulento tornou-se um dispositivo de medição primário amplamente aceito devido à sua combinação de precisão, operação de baixa manutenção e compatibilidade com as exigentes condições de temperatura e pressão dos sistemas de distribuição de vapor e gerenciamento de energia.

A resposta direta para os engenheiros que avaliam as especificações do medidor de vazão turbulento é esta: um medidor de vazão rotativo básico mede apenas a vazão volumétrica, o que é suficiente para aplicações de líquidos onde a densidade é essencialmente constante. Para gases e vapor, onde a densidade muda significativamente com a temperatura e a pressão, a medição do fluxo volumétrico por si só é insuficiente para uma determinação precisa do fluxo de massa ou do fluxo de energia. Um medidor de vazão de redemoinho de compensação de temperatura adiciona um sensor de temperatura e converte o fluxo volumétrico medido em fluxo de massa usando a densidade do fluido dependente da temperatura. Um medidor de vazão de redemoinho de compensação de pressão adiciona um sensor de pressão para a mesma finalidade. Um modelo totalmente compensado com sensores de temperatura e pressão calcula o fluxo de massa em tempo real a partir da combinação medida de fluxo volumétrico, temperatura e pressão, que é a configuração necessária para medição precisa de energia de vapor e transferência de custódia de gás. Este artigo explica como cada configuração funciona, onde cada uma é aplicada e quais especificações regem a seleção.

Como funciona um medidor de vazão espiral: princípio de operação e detecção de fluxo

O medidor de vazão turbulento opera com base no princípio de gerar um padrão de fluxo rotacional estável dentro do corpo do medidor e detectar a frequência das oscilações do fluxo secundário que resultam da interação entre esse fluxo turbulento e a geometria do medidor. A sequência operacional possui três estágios distintos: geração de redemoinho, formação de oscilação e detecção de frequência.

Geração de redemoinho pelo redemoinho de entrada

À medida que o fluido entra no medidor de vazão, ele passa através de um conjunto de turbilhonamento fixo que consiste em palhetas angulares dispostas radialmente em torno do eixo do tubo. Essas palhetas transmitem momento angular ao fluido, convertendo o fluxo axial em um padrão de fluxo giratório helicoidal dentro do furo do medidor. O redemoinho é um elemento passivo que não requer energia nem peças móveis neste estágio, o que é uma das principais razões para a longa vida operacional do medidor de vazão rotacional e os baixos requisitos de manutenção.

Formação de Oscilação Secundária na Zona Deswirl

A jusante do agitador, o fluxo rotativo entra em uma seção de expansão e então passa sobre um elemento deswirler projetado para remover parcialmente a rotação. A interação entre o fluxo rotativo residual e o deswirler gera um movimento secundário de precessão, um tipo de precessão de vórtice em que o núcleo do fluxo turbilhonante oscila em torno do eixo do tubo a uma frequência que é diretamente proporcional à vazão volumétrica. Este movimento de precessão é o principal fenômeno mensurável do medidor de vazão turbulento. A relação de Strouhal que rege a saída do medidor de vazão turbulento estabelece que a frequência de oscilação dividida pela velocidade do fluxo é uma constante adimensional (o fator K do medidor) na faixa operacional especificada do medidor, normalmente a faixa do número de Reynolds de 20.000 a vários milhões. Essa relação linear entre frequência e velocidade de fluxo é o que torna o medidor de vazão turbulento um dispositivo de medição confiável e preciso em uma ampla faixa de vazão, sem as correções não lineares exigidas pelos dispositivos de pressão diferencial.

Métodos de detecção: sensores piezoelétricos e capacitivos

O movimento oscilante do fluxo é detectado por um ou mais sensores montados no corpo do medidor. Duas tecnologias de detecção são de uso comum:

• Sensores piezoelétricos: Detecte as flutuações periódicas de pressão ou vibrações mecânicas produzidas pelo fluxo de precessão no local do sensor. Os elementos sensores piezoelétricos geram um sinal de tensão cuja frequência corresponde à frequência de oscilação do fluxo, que a eletrônica de processamento de sinal converte em uma taxa de fluxo. Esses sensores são robustos, de resposta rápida e adequados para aplicações de vapor de alta temperatura, onde as temperaturas operacionais do sensor podem atingir 250 graus Celsius ou mais, com isolamento adequado do sensor.
• Sensores capacitivos: Detecte alterações na capacitância de um elemento sensor à medida que o fluxo oscilante desvia o elemento ciclicamente. A detecção capacitiva é particularmente adequada para aplicações de gás de baixa pressão, onde a energia de oscilação do fluxo é baixa e os sensores piezoelétricos podem ter relação sinal-ruído insuficiente, proporcionando detecção estável em velocidades de fluxo tão baixas quanto 0,5 metros por segundo em alguns projetos.

A saída de sinal de qualquer tipo de sensor é um sinal de frequência linearmente proporcional à vazão volumétrica, a partir do qual a eletrônica calcula a vazão instantânea, o volume totalizado e, com compensação apropriada, o fluxo de massa e o fluxo de energia. As especificações típicas do medidor de vazão de turbulência incluem precisão de mais ou menos 1,0 a 1,5 por cento da leitura sobre a taxa de abertura, com taxas de abertura de 10:1 a 25:1 dependendo do fluido e das condições operacionais.

Compensação de temperatura em medidores de vazão Swirl: por que é necessária e como funciona

Um medidor de vazão turbulento que mede o fluxo volumétrico produz uma saída em metros cúbicos por hora (ou unidades equivalentes) que representa com precisão o volume de fluido que passa pelo medidor por unidade de tempo. Para líquidos com densidade essencialmente constante, como água a temperaturas moderadas, esta leitura volumétrica é diretamente proporcional ao fluxo de massa porque a densidade não muda significativamente com a temperatura ao longo da faixa operacional. No entanto, para gases, vapor e líquidos com densidade fortemente dependente da temperatura, a massa de fluido representada por uma determinada vazão volumétrica muda substancialmente com a temperatura, tornando a medição volumétrica por si só insuficiente para um controle preciso do processo ou contabilidade de energia.

Como a densidade do gás e do vapor muda com a temperatura

Para um gás ideal a pressão constante, a densidade é inversamente proporcional à temperatura absoluta: um gás a 200 graus Celsius (473 Kelvin) tem uma densidade de aproximadamente 62 por cento do mesmo gás a 20 graus Celsius (293 Kelvin), à mesma pressão. Em aplicações práticas de medição de gases industriais, a temperatura do gás de processo geralmente varia de 50 a 150 graus Celsius em torno de um ponto operacional nominal à medida que as cargas do processo mudam, as temperaturas ambientes variam sazonalmente ou as condições operacionais mudam. Sem compensação de temperatura, um medidor de vazão rotacional medindo gás natural ou ar comprimido a uma temperatura nominal de 150 graus Celsius mostraria um erro de leitura de fluxo de massa de aproximadamente 15 por cento para uma excursão de temperatura de processo de mais ou menos 20 graus Celsius, o que é claramente inaceitável para aplicações de transferência de custódia, faturamento de energia ou controle de processo que exigem precisão melhor que 2 a 3 por cento.

Como a compensação de temperatura é implementada

A medidor de vazão de redemoinho de compensação de temperatura integra um detector de temperatura de resistência (RTD), normalmente um elemento Pt100 ou Pt1000, montado dentro do corpo do medidor diretamente no fluxo de fluido ou em um poço termométrico adjacente ao medidor. O sinal de temperatura é alimentado continuamente ao processador de sinal do medidor, que utiliza a temperatura medida e um banco de dados de propriedades do fluido armazenado no processador para calcular a densidade real do fluido na condição de medição. A taxa de fluxo volumétrico do sinal de frequência é então multiplicada por esta densidade calculada para produzir uma saída de taxa de fluxo de massa em tempo real. Simultaneamente, o acumulador de fluxo de massa integrado ou totalizado rastreia a massa total de fluido que passou pelo medidor, que é a quantidade necessária para faturamento, contabilidade de energia e controle de processo em lote.

Para aplicações de vapor, onde a relação entre temperatura, pressão e densidade segue as tabelas de vapor IAPWS IF97 em vez de uma lei de gás ideal, o processador do medidor de vazão rotacional de compensação de temperatura acessa um banco de dados de propriedades de vapor com base nessas tabelas padrão reconhecidas internacionalmente, interpolando valores de densidade para qualquer temperatura medida na pressão operacional especificada. Para vapor saturado a uma pressão constante, a temperatura por si só determina todas as propriedades termodinâmicas, incluindo densidade e entalpia específica, de modo que um medidor compensado apenas pela temperatura pode fornecer fluxo de massa e fluxo de energia (em quilowatts ou megawatts) sem a necessidade de um sensor de pressão, desde que a pressão do sistema seja estável e bem caracterizada.

Compensação de Pressão em Medidores de Vazão Swirl: Aplicações e Configuração

A compensação de pressão aborda a segunda variável principal que afeta a densidade do fluido na medição de fluxo compressível. Para gases a temperatura constante, a densidade é diretamente proporcional à pressão absoluta: o ar comprimido a 6 bar absoluto tem aproximadamente seis vezes a densidade do mesmo ar a 1 bar absoluto, o que significa que um fluxo volumétrico de 100 metros cúbicos por hora a 6 bar absoluto representa aproximadamente 600 metros cúbicos por hora equivalente em condições padrão (muitas vezes definidas como 0 graus Celsius ou 15 graus Celsius e 1,01325 bar absoluto). A conversão do fluxo volumétrico real em fluxo volumétrico padrão ou fluxo de massa requer conhecimento da pressão operacional real, que é a função do sistema de compensação de pressão.

Integração de sensores de pressão e processamento de sinais

A medidor de vazão de redemoinho de compensação de pressão integra um transmissor de pressão absoluta ou transmissor de pressão manométrica (com correção de pressão atmosférica aplicada no processador) montado diretamente no corpo do medidor ou na linha de processo adjacente. O sinal de pressão é alimentado ao mesmo processador de sinal que recebe o sinal de frequência de fluxo, permitindo ao processador calcular a densidade real do gás a partir da pressão medida (e se a temperatura também for medida, tanto a pressão quanto a temperatura simultaneamente).

Para aplicações de vapor superaquecido, tanto a temperatura quanto a pressão são necessárias para definir completamente o estado termodinâmico e, portanto, a densidade e a entalpia do vapor: o vapor superaquecido a uma determinada pressão pode existir em uma ampla faixa de temperaturas e densidades, portanto, nem um sistema de compensação apenas de temperatura nem apenas de pressão pode fornecer medição precisa de fluxo de massa em toda a faixa operacional. Um medidor de vazão rotacional totalmente compensado com entradas de temperatura e pressão é a especificação correta para medição de vapor superaquecido em qualquer aplicação onde a temperatura e a pressão do processo variam independentemente durante a operação.

Cálculo de fluxo volumétrico padrão para gases comprimidos

Em aplicações de medição de gás comprimido, incluindo distribuição de gás natural, monitoramento de ar comprimido e medição de gás de processo industrial, a produção necessária é frequentemente expressa em metros cúbicos padrão por hora (Sm3/h) ou metros cúbicos normais por hora (Nm3/h), em vez de fluxo de massa em quilogramas por hora. O fluxo volumétrico padrão ou normal representa o volume equivalente que o gás ocuparia em condições de referência definidas (0 graus Celsius e 1,01325 bar para metros cúbicos normais, ou 15 graus Celsius e 1,01325 bar para metros cúbicos padrão). O medidor de vazão de turbilhão compensado por pressão e temperatura calcula essa saída de volume padrão diretamente a partir da vazão volumétrica real medida, da temperatura medida e da pressão medida, aplicando a lei do gás ideal ou uma equação de estado do gás real para levar em conta a compressibilidade do gás. Este volume padrão é a quantidade faturada para o fornecimento de gás natural, a base para cálculos de balanço de materiais do processo e o resultado necessário para relatórios regulatórios em muitas jurisdições.

Comparando configurações do medidor de vazão Swirl: quando especificar cada tipo

A tabela a seguir resume as três principais configurações de compensação dos medidores de vazão de turbulência, suas saídas de medição e as aplicações em que cada uma é a escolha correta.

Medição de vazão de vapor: onde girar medidores de vazão com compensação Excel

A medição de vazão de vapor é uma das aplicações mais exigentes em instrumentação de vazão industrial porque o vapor combina a compressibilidade de um gás com propriedades termodinâmicas dependentes de fase que mudam significativamente com a temperatura e a pressão, e o sistema de medição deve operar de forma confiável em temperaturas e pressões elevadas em ambientes que são mecanicamente e termicamente exigentes. Os medidores de vazão turbulentos com compensação de temperatura e pressão tornaram-se uma solução preferida para medição de vazão de vapor em gerenciamento de energia, indústrias de processo e aplicações de aquecimento urbano por vários motivos que os distinguem das tecnologias concorrentes.

Vantagens dos medidores de vazão Swirl em relação aos medidores Vortex para vapor

Tanto os medidores de turbulência quanto os de vórtice utilizam detecção de vazão baseada em frequência e podem ser equipados com compensação de temperatura e pressão para medição de vapor. O medidor de vazão turbulento tem diversas vantagens práticas para aplicações de vapor:

• Velocidade mínima de fluxo inferior: Os medidores de vazão de redemoinho mantêm uma detecção confiável de sinal em velocidades de fluxo mais baixas do que os medidores de vórtice porque a oscilação gerada pelo redemoinho tem maior amplitude para uma determinada velocidade de fluxo do que o sinal de liberação de vórtice na maioria dos projetos. Isto permite que o medidor de turbulência meça com precisão as condições de vapor de baixa carga, o que é importante em sistemas de aquecimento onde a demanda de vapor varia amplamente entre as condições de carga total e de espera.
• Tolerância de vapor úmido e lesmas condensadas: A construção mecânica robusta do corpo do medidor de turbulência, sem a obstrução esbelta do corpo escarpado que é o elemento crítico de um medidor de vórtice, proporciona melhor tolerância às condições de vapor úmido e jatos de condensado ocasionais que podem danificar ou perturbar a barra de desprendimento mais frágil de um medidor de vórtice.
• Ampla faixa de pressão operacional: Os medidores de vazão de redemoinho estão disponíveis comercialmente para pressões operacionais de 0,1 MPa a 4 MPa manométrica e acima, cobrindo toda a gama de pressões de distribuição de vapor industrial, desde sistemas de aquecimento de baixa pressão até vapor de processo de alta pressão.

Cálculo do fluxo de energia a partir de medidores de redemoinho com compensação de temperatura e pressão

Quando um medidor de vazão com compensação de temperatura e pressão é instalado em uma linha de fornecimento de vapor e a temperatura de retorno do condensado também é conhecida, o medidor pode calcular e totalizar a energia térmica fornecida pelo sistema de vapor em tempo real. O cálculo usa as tabelas de propriedades de vapor IAPWS IF97 para determinar a entalpia específica do vapor fornecido a partir da temperatura e pressão medidas, subtrai a entalpia específica do condensado de retorno em sua temperatura medida e multiplica a diferença de entalpia pela taxa de fluxo de massa medida para obter a potência de saída em quilowatts. Esta capacidade de medição direta de energia, sem a necessidade de um medidor de energia ou computador de vazão separado, torna o medidor de vazão de redemoinho com compensação de temperatura e pressão um instrumento abrangente de gerenciamento de energia de vapor que combina medição de vazão, compensação de densidade e cálculo de energia em um único dispositivo, simplificando significativamente a instrumentação necessária para conformidade do sistema de gerenciamento de energia ISO 50001 e alocação de custos de distribuição de vapor.

Requisitos de instalação e parâmetros de especificação

A instalação correta de um medidor de vazão rotacional é essencial para atingir a precisão especificada, porque os medidores rotacionais são sensíveis ao perfil de velocidade do fluxo de entrada. Perfis não uniformes causados ​​por conexões, válvulas ou curvas a montante introduzem erros na frequência de oscilação que não representam totalmente a velocidade média do fluxo, resultando em imprecisões de medição.

Requisitos de tubo reto a montante e a jusante

Os fabricantes especificam comprimentos mínimos de tubo reto a montante e a jusante do medidor de vazão de turbulência para garantir que o perfil de velocidade que entra no medidor esteja totalmente desenvolvido e esteja livre de componentes de turbulência introduzidos por acessórios a montante. Os requisitos típicos são 3D de tubo reto a montante e 1D a jusante.

Orientação e Drenagem de Condensado

Para aplicações de vapor, o medidor deve ser instalado em uma seção de tubo horizontal, sempre que possível, para evitar o acúmulo de condensado no corpo do medidor, o que causaria sinais de vazão erráticos e corrosão do elemento. Onde a instalação vertical for necessária, o fluxo de vapor deverá ser direcionado para cima através do medidor para permitir a drenagem por gravidade de qualquer condensado para longe da seção de medição. Um purgador de vapor a jusante do medidor fornece drenagem de condensado e evita que o acúmulo de condensado inunde a zona de medição.

Principais parâmetros de especificação para seleção do medidor de vazão Swirl

Ao especificar um medidor de vazão turbulento, os seguintes parâmetros devem ser definidos para garantir que o modelo correto seja selecionado para a aplicação:

1. Tipo de fluido: Líquido, gás ou vapor (saturado ou superaquecido), pois isso determina o nível de compensação necessário, a seleção do material molhado e o banco de dados de propriedades do fluido aplicável.
2. Faixa de pressão operacional: Pressão mínima e máxima do processo, que determina a classificação de pressão do corpo do medidor e a faixa do transmissor de pressão nos modelos compensados.
3. Faixa de temperatura operacional: Temperatura mínima e máxima do processo, que determina a classificação de temperatura do medidor e dos materiais do sensor.
4. Faixa de fluxo: Taxas de vazão mínima e máxima, que determinam o tamanho necessário do medidor e confirmam que a faixa de vazão desejada está dentro da faixa de números de Reynolds e da taxa de abertura especificadas pelo medidor.
5. Saída necessária: Apenas fluxo volumétrico, fluxo de massa, fluxo de volume padrão ou fluxo de energia, que determina a configuração de compensação necessária.
6. Conexão de processo: Diâmetro do tubo, classificação de pressão e padrão de flange (ASME, EN, JIS) necessários para o local de instalação.
7. Sinal de saída: Saída de pulso para totalização, analógica de 4 a 20 mA para vazão, HART, Modbus ou PROFIBUS para comunicação digital com o sistema de controle da planta.

O medidor de vazão turbulento, em suas diversas configurações de compensação, fornece uma solução confiável, precisa e praticamente versátil para medição de vazão em aplicações que vão desde a simples medição de líquidos até os exigentes requisitos de contabilização de energia de vapor em programas de gerenciamento de energia industrial. A seleção entre configurações básicas, compensadas por temperatura, compensadas por pressão e totalmente compensadas não é uma questão de preferência orçamentária, mas de combinar corretamente o dispositivo de medição com as condições físicas reais do fluido do processo, que é a única abordagem que fornece a precisão e a confiabilidade que a medição de vazão em aplicações de energia e controle de processo exige.