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A medição de vazão em plantas industriais pode ser feita através de diversas técnicas, ou seja, existem muitos métodos básicos para a medida de vazão (alguns são bastante gerais, outros se aplicam em casos restritos). Entre os elementos primários de medida de vazão podemos citar:
Dentre as técnicas citadas, a placa de orifício (elementos de medida de vazão de pressão diferencial) é uma das mais comuns e empregadas em medição de vazão em processos industriais. Segundo Campos e Teixeira (2010), o princípio básico de funcionamento de uma placa de orifício consiste no uso de uma placa de aço inox (pois tem que resistir à corrosão química e mecânica do fluido), com um orifício usinado no centro, que é inserida numa linha de processo perpendicular ao movimento do fluido, com a intenção de produzir uma queda de pressão (∆P). A Figura 1 apresenta a foto de algumas placas de orifício industriais.
Nota: Existem diversos meios de se medir vazão (com maior exatidão), normalmente usados para contabilizar a produção ou mesmo para faturamento, tanto para líquidos como para gases (ALVES, 2010). Esses medidores destinam-se a contabilizar a produção, enquanto as placas de orifício são usadas tanto na medição como no controle de processos.
As tomadas para medida das pressões a montante (entrada) e a jusante (saída) podem estar localizadas em várias posições (tomadas na flange é muito comum). As tomadas na flange (utilizada para montagem de placa de orifício) têm vantagens não apenas porque existem dados empíricos de mais confiança para esse tipo de tomadas, como permitem uma fácil substituição do conjunto orifício-flanges. A precisão nas medidas com orifícios é raramente melhor do que 1%. Normalmente o erro é superior a 2%.
Um arranjo comum é dado na Figura 2. A placa de orifício é fixada entre flanges, o que torna fácil sua instalação e manutenção. Montado na tubulação de forma que o fluido passe através do orifício da placa, sua função é aumentar a velocidade do fluido, diminuindo a área da seção do fluxo para haver uma queda de pressão. A vazão pode então ser medida a partir dessa queda. A flange já possui furos incorporados para as tomadas de pressão em cada lado (rosca ou encaixe para solda).
A medição da diferença de pressão ($P_{m} - P_{j}$) pode ser feita por algo simples, como um manômetro e uma tabela ou uma fórmula pode ser usada para calcular a vazão. Ou pode ser coisa mais sofisticada, como transdutores elétricos e o sinal processado por circuitos analógicos ou digitais para indicação dos valores de vazão.
Uma vantagem primordial desse dispositivo medidor de vazão por pressão diferencial é que podem ser aplicados a uma grande variedade de medições, envolvendo a maioria dos gases e líquidos, inclusive fluidos com sólidos em suspensão, bem como fluidos viscosos, em uma faixa de temperatura e pressão bastante ampla.
Um inconveniente desse tipo de medidor é a perda de carga que ele causa no processo.
A perda de pressão é dada pela seguinte expressão:
$$ Q = F * \sqrt{\frac{\Delta P}{p}} $$Em que Q representa a vazão volumétrica, dada em m3/h; ΔP é a perda de pressão provocada pelo orifício, dada em $kgf/cm^{2}$; F (depende das características do sistema como um todo) é um fator de medição utilizado e ρ é a massa específica do fluido.
Um detalhe importante a ser observado é que a vazão depende da raiz quadrada do diferencial de pressão. Na prática, portanto, os sensores empregados para se medir vazão medem, na verdade, o diferencial de pressão causado pela placa de orifício. Para se obter o valor da vazão é necessário, então, extrair essa raiz quadrada. Estamos, pois, em presença de uma medida indireta de vazão.
A Figura 3 ilustra um instrumento que mede pressão diferencial sendo empregado na medição da vazão.
Atualmente, muitos instrumentos já fornecem o valor medido para o controlador com a raiz quadrada extraída, o que evita a efetuação de cálculos extras para obter a vazão que será controlada.
Um detalhe que é importante ressaltar é que as placas de orifício, segundo Campos e Teixeira (2010), apresentam uma rangeabilidade relativamente baixa. A rangeabilidade é a relação entre o valor máximo e mínimo mensuráveis que, em placas de orifício, é de 3:1, em média.
Para uma medição de vazão adequada, o elemento primário deverá ser instalado obedecendo aos requisitos de trechos retos de tubulação antes e depois do mesmo, para que a medida não seja prejudicada pelo turbilhamento no fluido.
Campos e Teixeira (2010) comentam que no controle de vazão, o tempo morto do processo (malha de vazão) é normalmente desprezível e a constante de tempo é da ordem de segundos. Isto implica que a resposta do sistema de controle de vazão depende principalmente do tempo de resposta do elemento primário (sensor de vazão), do tamanho da tubulação do processo, da transmissão de sinal e do elemento final (atuador no processo - por exemplo, válvula de controle).
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