Medidores Ultra Sônicos. - Portal da Instrumentação

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA
PROGRAMA DE CURSOS DE EXTENSÃO
PROMINP - PROGRAMA DE MOBILIZAÇÃO DA
INDÚSTRIA DE PETRÓLEO E GÁS
MEDIDORES
ULTRA-SÔNICOS
CURSO: ENGENHEIRO ELÉTRICO/INSTRUMENTAÇÃO
DISCLIPLINA: MEDIDAS DE GRANDEZAS DINÂMICAS
INSTRUTORA: Ms. KAREN L. GUILHERME PAULINO
ALUNOS: GIOVANI PASETTI
JOÃO CARLOS CANDIDO DE JESUS
AGOSTO 2007
MEDIDORES ULTRA-SÔNICOS
Medidores de vazão baseados na tecnologia de ultra-som foram desenvolvidos na
segunda metade do século XX para fins industriais. O uso do ultra-som é
relativamente antigo para inspeção não destrutiva, limpeza, localização e algumas
outras aplicações. Para a medição de vazão, o ultra-som vem sendo aplicado desde
os anos de 1960. Com um início dificultado por uma publicidade incorreta por parte de
fabricantes inexperientes, a comercialização de bons medidores ultra-sônicos só se
firmou 20 anos depois.
Crescentemente esta técnica vem adquirindo grande importância na medição de
vazão em industrias químicas e petroquímicas. Um dos motivos se deve ao fato de
que a medição de vazão com ultra-som é feita sem a necessidade de qualquer
obstrução mecânica do fluido. Desta forma, não há a criação de turbulência ou a perda
de carga, causada pelos medidores de vazão como vortex, placas de orifício, turbina,
entre outros. Além disso, possibilita a medição de vazão de fluidos altamente
corrosivos, líquidos não condutores e líquidos viscosos. A Figura 1 ilustra um medidor
ultra-sônico utilizado no meio industrial.
Figura 1 – Medidor ultra-sônico intrusivo
Assim como um feixe de luz, uma importante característica da onda de ultra-som, está
no fato desta poder ser direcionada, estando também sujeita aos fenômenos de
refração e reflexão. Superior a luz, o ultra-som se propaga em meios sólidos, líquidos
e gasosos. Graças a estas características, que permitem a focalização e a penetração,
os instrumentos ultra-sônicos podem medir a vazão de forma não intrusiva. Em outras
palavras é possível medir a vazão amarrando os transdutores externamente a
tubulação com uma cinta apropriada, como ilustra a Figura 2. Esta é uma
característica única entre os medidores de vazão industriais.
2
Figura 2 – Medidor ultra-sônico não intrusivo
Além das vantagens já mencionadas, os medidores de vazão ultra-sônicos possuem
ainda:
•
•
•
•
•
Precisão relativamente elevada (0,3% do fim de escala)
Maior extensão da faixa de medição com saída linear.
Apresentam garantia elevada, pois não possuem peças móveis em contato
com o fluido, não estando sujeito ao desgaste mecânico.
Possibilita medição em tubos com diâmetros que vão de 1 a 60 polegadas.
A medição é essencialmente independente da temperatura, da densidade, da
viscosidade e da pressão do fluido.
Entre as desvantagens podemos citar:
•
Custo elevado na aplicação em tubos de pequenos diâmetros.
O princípio de funcionamento do medidor de vazão ultra-sônico é fundamentado no
princípio da propagação do som em um fluido. Desta forma, os pulsos sonoros são
gerados e transmitidos no fluido por um transdutor piezoelétrico reversível, que
transforma um sinal elétrico em uma freqüência de vibração mecânica e vice-versa.
Quando um pulso ultra-sônico é dirigido a favor do fluxo, sua velocidade é adicionada
à velocidade da corrente. Quando um pulso é dirigido contra o fluxo, sua velocidade é
desacelerada pela velocidade da corrente. Baseado nessas informações é possível
determinar a vazão de fluidos por ultra-som.
Entre as muitas técnicas de medição de vazão por ultra-som, duas têm aplicações
difundidas na instrumentação industrial:
•
•
O efeito Doppler
O tempo de trânsito
Vejamos a seguir o princípio de funcionamento dos dois tipos de medidores
mencionados.
Medidores a efeito Doppler
O efeito Doppler foi descoberto em 1842, sendo aplicado atualmente em sistemas de
radares, sonares, estudos médicos e biológicos e na instrumentação industrial. A
3
demonstração prática do efeito Doppler pode ser observada pela variação da
percepção da freqüência de uma fonte sonora, devido ao afastamento ou a
aproximação entre esta e o ponto de referência.
Quando um transdutor (transmissor-receptor) emite uma onda sonora, parte deste
sinal é refletido por um corpo referencial retornando para o transmissor-receptor. Se
ambos estiverem imóveis, o sinal emitido e o sinal refletido, terão a mesma freqüência,
como ilustra a Figura 3. Neste caso não ocorre o efeito Doppler.
f2
f1
TRANSMISSOR
RECEPTOR
CORPO
REFERENCIAL
Figura 3 – Exemplo de um sistema sem o efeito Doppler
Por outro lado, se o corpo referencial se aproximar do transmissor-receptor, como
ilustra a Figura 4, este irá interceptar e refletir antecipadamente as ondas emitidas.
Estas ondas refletidas são captadas pelo próprio transmissor-receptor, porém com
uma freqüência maior do que a emitida. Esta mudança de freqüência se deve ao efeito
Doppler.
Através da diferença da freqüência f2 (captada) e a freqüência f1 (emitida), é possível
calcular a velocidade com que o receptor se aproxima do transmissor. Quanto maior
for esta diferença, maior será a velocidade de aproximação.
Este mesmo efeito também ocorre se o corpo referencial se distanciar do transmissor.
No entanto, a freqüência captada será menor que a freqüência emitida. Desta forma,
quanto maior o afastamento, maior será a diferença de freqüência, porém com sinal
oposto à aproximação.
4
CORPO
REFERENCIAL
TRANSMISSOR
RECEPTOR
f1
f2
Figura 4 – Exemplo de um sistema com efeito Doppler
Na aplicação industrial, o feixe ultra-sônico, transmitido e recepcionado por um
elemento sensor, é orientado numa direção que forma um ângulo com o eixo da
tubulação. Quando projetado, com uma freqüência constante, em um fluido não
homogêneo, parte da energia acústica é refletida de volta para o elemento sensor,
como ilustra a Figura 5.
5
TRANSMISSOR
RECEPTOR
θ
ULTRA-SOM
EMITIDO E
REFLETIDO
f2
f1
V
CORPO
REFLETOR
FLUXO
Figura 5 – Esquema de um medidor ultra-sônico a efeito Doppler
Esta reflexão é causada por corpos refletores (partículas sólidas ou bolhas) que se
deslocam à mesma velocidade que o fluxo, estando em movimento em relação ao
elemento sensor. Esta freqüência do sinal refletido se difere do sinal transmitido de um
certo desvio de freqüência, referido como desvio de freqüência Doppler. Este desvio
de freqüência é diretamente proporcional à velocidade do fluido e conseqüentemente
da vazão. A equação para o cálculo da velocidade pode ser observada na Equação 1.
V =
∆f .C S
2. f 1 . cosθ
Equação 1
Onde:
V é a velocidade média do fluido
∆f é a diferença entre a freqüência transmitida e a recebida
f1 é a freqüência de transmissão
θ é o ângulo entre o transdutor e a tubulação
CS é a velocidade do som no fluido
Como a velocidade é uma função linear da diferença de freqüência, conhecendo-se o
diâmetro interno da tubulação, é possível calcular a vazão volumétrica multiplicandose a velocidade pela área da seção transversal da tubulação.
Em alguns casos, o transmissor e o receptor, presentes no elemento sensor, podem
ser separados construtivamente com ilustra a Figura 6. O princípio de medição é o
mesmo, com a diferença de que as freqüências transmitidas e recepcionadas serão
emitidas e captadas, respectivamente, por elementos individualizados.
6
TRANSMISSOR
θ
f1
ULTRA-SOM
EMITIDO
CORPO
REFLETOR
V
FLUXO
ULTRA-SOM
REFLETIDO
f2
RECEPTOR
Figura 6 – Esquema de um medidor ultra-sônico a efeito Doppler (Transmissor e
Receptor separados)
O principio da medição por efeito Doppler é preferido quando se trata de fluidos com
elevada concentração de impurezas. Isto porque, para que ocorra a reflexão do sinal,
é necessária a presença de corpos refletores no fluido. A utilização deste método
implica em uma concentração mínima de 5% dessas partículas ou bolhas dentro da
corrente do fluido. Quando necessário, bolhas de ar podem ser criadas no fluido para
fins de medição. É interessante ressaltar que alterações na concentração de partículas
não exercem influência sobre o resultado da medição.
Os equipamentos baseados nessa técnica não são adequados para medições que
necessitam de muita precisão (variam de ± 2 a ± 5% da vazão medida), já que o feixe
refletido depende da posição em que se encontra a concentração de partículas para a
reflexão. Se as partículas estiverem perto do centro a velocidade é mais elevada e se
estiverem próximas a parede da tubulação a velocidade é menor.
Não há usualmente restrições para a vazão ou para os números de Reynolds1, exceto
que a vazão deve ser suficientemente rápida para manter os sólidos em suspensão.
Medidores por tempo de trânsito
O medidor de vazão ultra-sônico por tempo de trânsito mede a vazão através da
diferença de tempo de percurso de um feixe inclinado em relação às linhas de
velocidade do fluxo. A medição baseia-se no fato de que a componente de velocidade
do fluxo, irá se somar à velocidade do som se estiver a favor do fluxo, ou dela se
subtrair se estiver contra o fluxo. Com a diferença de tempo de trânsito, na ida e na
volta do feixe ultra-sônico, determina-se a velocidade do fluido, da qual infere-se a
vazão volumétrica.
Uma relação comparativa pode ser observada na travessia de um rio por um barco,
como ilustra a Figura 7. No sentido da margem 1 para a margem 2, o barco conta com
a velocidade imposta pelo motor, mais a velocidade resultante do fluxo do rio. No
1
Número adimensional utilizado para determinar se o escoamento se processa em regime laminar ou
turbulento.
7
sentido oposto, o barco conta apenas com o motor, navegando contra a velocidade do
rio.
Distância Longitudinal
Velocidade do rio
D
is
tâ
nc
ia
tr
an
s
ve
rs
al
Margem 2
Margem 1
Figura 7 – Relação comparativa de medidor ultra-sônico e um rio
Se não existisse correnteza o tempo para ir e voltar seria o mesmo. No entanto, devido
ao fluxo do rio, o tempo entre as duas travessias é diferente. Desta forma, conclui-se
que esta diferença de tempo é causada devido à velocidade de fluxo do rio. Assim,
para se obter esta velocidade, basta conhecer o tempo de travessia na ida e na volta,
e as distâncias longitudinal e transversal entre as duas margens do rio, como mostra a
Equação 8.
Nesta comparação o rio seria o meio de propagação do som, o barco seria o pulso de
uma onda sonora e a velocidade imposta pelo motor seria a velocidade de propagação
do som no meio.
Analiticamente, o processo de medição pode ser explicado observando-se a Figura 8.
TRANSDUTOR B
d
VBA=CS-V.cosα
ULTRA-SOM
FLUXO
VAB=CS+V.cosα
L
V
α
TRANSDUTOR A
Figura 8 – Esquema de um medidor ultra-sônico por tempo de trânsito.
8
Considerando TAB o tempo que o ultra-som leva para percorrer a distância de A até B;
TBA o tempo em sentido contrário; L a distância entre dois transdutores; d a distância
entre as seções retas que passam pelos dois transdutores; V a velocidade média do
fluido; VAB e VBA as velocidades médias do ultra-som no fluido ao longo do percurso L;
θ o ângulo entre os transdutores e a tubulação; e CS a velocidade do som no meio.
Têm-se assim as seguintes equações:
V AB = C S + V . cos α
Equação 2
V BA = C S − V . cos α
Equação 3
As Equações 2 e 3, podem ser reescritas em função de CS da seguinte forma:
C S = V AB − V . cos α
Equação 4
C S = VBA + V . cos α
Equação 5
Igualando as Equações 4 e 5, e isolando V, obtém-se:
V =
V AB − VBA
2. cos α
Equação 6
VAB
V.cosα
CS
VBA
α
V
V.
co
sα
CS
α
V
VETOR VAB
VA
B
-V
BA
=
2.
V.
co
sα
VETOR VBA
α
2.V= VAB-VBA
cosα
VETOR RESULTANTE V
Figura 9 – Resultante vetorial da velocidade
9
A Equação 6 expressa o módulo da resultante da velocidade do fluido (V) devido a
soma vetorial das velocidades VAB, VBA e CS, como ilustra a Figura 9. Observa-se que
o vetor CS se cancela na soma, provando que o cálculo da velocidade do fluido
independe da velocidade do som no meio. Em outras palavras, a medição da
velocidade independe do tipo de fluido que se está medindo.
Sabendo-se que V AB =
V =
L
2. cos α
⎛ 1
1 ⎞
⎟⎟
⎜⎜
−
⎝ T AB TBA ⎠
Considerando cos α =
V =
L
L
e que V BA =
, a Equação 6 pode ser reescrita como:
T AB
TBA
Equação 7
d
conclui-se que:
L
L2 ⎛ 1
1 ⎞
⎟
⎜⎜
−
2.d ⎝ T AB TBA ⎟⎠
Equação 8
Como L e d são conhecidos, é necessário apenas determinar o tempo de trânsito entre
os transdutores. O primeiro passo para isso é a emissão de um sinal de ultra-som do
transdutor A para o transdutor B e a conseqüente medição do tempo de passagem
TAB. Assim que esse pulso é captado pelo transdutor B, ocorre a emissão de um sinal
no sentido contrário, sendo então medido o tempo de passagem TBA. Desta forma,
determina-se a velocidade do fluxo e conseqüentemente a vazão associada.
Por sua maior precisão, esse tipo de medição é aconselhado quando o fluido não é
uniformemente sujo ou quando é limpo. As precisões podem variar de ±0,3 a ±5% da
vazão medida.
Um dos fatores que interfere na precisão, está no fato da medição do tempo de
trânsito ser executada no centro da tubulação. Neste ponto a velocidade do fluido é
maior do que nas extremidades, próximas as paredes da tubulação. Para solucionar
este problema, existem medidores multicorda, que apresentam diversos pares de
transdutores dispostos em planos paralelos, como ilustra a Figura 10. Alguns
medidores multicorda contam com até oito cordas, entretanto os mais comuns utilizam
de duas a quatro cordas.
Figura 10 – Medidor ultra-sônico de 3 cordas
10
O medidor ultra-sônico por tempo de transito multicordas é o único instrumento de
medição fiscal aprovado pela ANP (Agência Nacional de Petróleo) capaz de medir
tanto óleo como gás. Para este último, por ser um fluido compressível, a medição deve
seguir as normas AGA 9 e ISO 12765.
Os medidores por deslocamento positivo e por efeito Coriolis também são aprovados
pela ANP, porém exclusivamente para óleo. Por outro lado, medidores com placa de
orifício (AGA 3 e ISO 5167) e turbina (AGA 7 e ISO 9951) são aprovados
exclusivamente para a medição de gás. Outros medidores como o magnético e o
vortex, podem ser utilizados para medição fiscal desde que aprovados previamente.
Referências Bibliográficas
[1] Egídio Alberto Bega. Instrumentação Industrial. Editora Interciência, 2a
edição, 2006.
[2] Gerard J. Delmée. Manual de Medição de Vazão. Editora Edgard
Blucher, 3a edição, 2003.
[3] Gregory K. McMillan. Process / Industrial Instruments And Controls
Handbook. Editora McGraw-Hill, 5a edição, 1999.
[4] Maureen Aller. Measurement, Instrumentation, and Sensors Handbook
CRCnetBASE 1999 CD-ROM. Editora CRC Press LLC, 1999
[5] Walt Boyes. Instrumentation Reference Book. Butterworth Heinemann,
Third Edition, 2003.
[6] Omega Engineering. Flow & Level Measurement - Volume 4.
http://www.omega.com.
[7] Marco Antônio Ribeiro. Instrumentação. Tek Treinamento &
Consultoria,12a edição, 2005.
[8] Marco Antônio Ribeiro. Medição de Petróleo e Gás Natural. Tek
Treinamento & Consultoria, 3a edição, 2003.
[9] Ulisses Barcelos Viana. Instrumentação Básica II – Vazão, Temperatura
e Analítica. Senai/CST, 1999.
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