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I. Princípio de funcionamento: É inserido um gerador de vórtices no fluido (corpo obstrutor), o que faz com que se formem vórtices regulares alternadamente em ambos os lados desse gerador. Esses vórtices são chamados de feixes de vórtices de Karman, como mostrado na Figura 1. As fileiras de vórtices são dispostas de forma assimétrica a jusante do gerador de vórtices. Seja f a frequência de ocorrência dos vórtices, U a velocidade média do fluxo do meio a ser medido, d a largura frontal do corpo responsável pela geração dos vórtices, e D o diâmetro do corpo em questão. De acordo com o princípio das fileiras de vórtices de Karman, temos a seguinte relação: f = SrU₁/d = SrU/m·d (1). Nessa equação, U₁ representa a velocidade média do fluxo em ambos os lados do corpo responsável pela geração dos vórtices, em m/s ； Número de Strouhal ； m – Razão entre a área em forma de arco em cada lado do gerador de vórtices e a área da seção transversal do tubo. Figura 1: Fluxo volumétrico qv no tubo com padrão de vórtices de Karman. qv = πD²U/4 = πD²mdf/4Sr (2). K = f/qv = -1 (3). Onde K é o coeficiente do medidor de fluxo, expresso em pulsos/m³ (P/m³). Além de estar relacionado às dimensões geométricas do gerador de vórtices e do tubo, o K também está relacionado ao número de Strouhal. O número de Strouhal é um parâmetro adimensional, que está relacionado à forma do gerador de vórtices e ao número de Reynolds. A Figura 2 mostra a relação entre o número de Strouhal para um gerador de vórtices em formato cilíndrico e o número de Reynolds do ducto. Como pode ser visto no gráfico, na faixa de ReD=2×104 a 7×106, o Sr pode ser considerado uma constante; essa é a faixa em que o instrumento funciona normalmente. Ao medir o fluxo de gás, a fórmula para cálculo do fluxo no VSF é dada pela curva que relaciona o número de Strouhal com o número de Reynolds, mostrada na Figura 2. Nessa fórmula, qVn representa o fluxo volumétrico nas condições padrão (0°C ou 20°C, 101,325 kPa), enquanto qV representa o fluxo volumétrico nas condições reais de operação, em m³/h ； Pn e P representam, respectivamente, a pressão absoluta em condições padrão e nas condições de operação, em Pa ； Tn e T representam, respectivamente, a temperatura termodinâmica em condições padrão e nas condições de operação, em K ； Zn, Z – representam, respectivamente, o coeficiente de compressão do gás em condições padrão e nas condições de operação. Como pode ser visto na equação acima, o sinal de frequência de pulso gerado pelo VSF não é afetado pelas propriedades físicas e pela composição do fluido. Ou seja, os coeficientes do instrumento, dentro de uma certa faixa de número de Reynolds, dependem apenas das características do gerador de vórtices e dos dimensões do tubo. No entanto, como medidor de vazão, é necessário detectar o fluxo de massa no balanço de materiais e na medição de energia. Nesse caso, o sinal de saída do medidor de vazão deve monitorar simultaneamente o fluxo volumétrico e a densidade do fluido. As propriedades físicas e os componentes do fluido também têm impacto direto na medição do vazão. II. Estrutura: O VSF é composto por sensores e conversores, conforme mostrado na Figura 3. Os sensores incluem gerador de vórtices (elemento de resistência), elemento de detecção, corpo do instrumento, entre outros ； O conversor inclui um amplificador de entrada, circuitos de filtragem e formatação, circuito de conversão D/A, circuitos de interface de saída, terminais, suportes e proteção, entre outros. Nos últimos anos, os medidores de vazão inteligentes também incorporaram microprocessadores, módulos de comunicação e exibição, além de outros módulos funcionais, dentro do conversor. Figura 3: Medidor de vazão por vórtices (1) – Gerador de vórtices. O gerador de vórtices é o componente principal do detector. Ele está relacionado diretamente com as características de vazão do instrumento (coeficiente do instrumento, linearidade, faixa de medição, etc.) e com as características de resistência (perda de pressão). As exigências em relação a ele são as seguintes. 1) É possível controlar a separação síncrona dos vórtices ao longo do eixo do gerador de vórtices ； 2) Em uma ampla faixa de números de Reynolds, existe um ponto estável de separação de vórtices, mantendo-se assim um número de Strouhal constante ； 3) É capaz de gerar fortes correntes de vórtice, resultando em uma alta relação sinal-ruído ； 4) Forma e estrutura simples, o que facilita o processamento e a padronização dos parâmetros geométricos, além da instalação e combinação de diversos elementos de medição ； 5) O material deve atender aos requisitos das propriedades do fluido, sendo resistente à corrosão, à abrasão e às mudanças de temperatura ； 6) A frequência natural está fora da faixa de frequências do sinal de vórtices. Foram desenvolvidos vários tipos de geradores de vórtices, que podem ser divididos em geradores de vórtice simples e geradores de vórtice múltiplo, como mostrado na Figura 4. As formas básicas de um gerador de vórtices simples são o cilindro, o cilindro retangular e o prisma triangular; todas as outras formas são deformações dessas formas básicas. O gerador de vórtices em forma de prisma triangular é o tipo mais amplamente utilizado, como mostrado na Figura 5. Na figura, D representa o diâmetro do instrumento. Para aumentar a intensidade e a estabilidade das correntes de vórtice, podem ser utilizados vários geradores de vórtices, porém seu uso não é comum. d/D=0,2～0,3; c/D=0,1～0,2; b/d=1～1,5; θ=15°～65°. ⑵ Existem 5 maneiras pelas quais o medidor de vazão, que utiliza sensores para detectar vórtices, pode funcionar. 1) Detectar diretamente a diferença de pressão entre os dois lados do gerador de vórtices, por meio de sensores localizados dentro do mesmo ； 2) São feitos orifícios de medição de pressão no corpo gerador de vórtices; nesses orifícios, são instalados elementos de detecção para medir a diferença de pressão entre as duas faces do corpo gerador ； 3) Detecção da circulação alternada ao redor do gerador de vórtices ； 4) Detecção da pressão diferencial alternada na parte traseira do gerador de vórtices ； 5) Detecção de fileiras de vórtices na cauda. De acordo com esses 5 métodos de detecção, o uso de diferentes técnicas de detecção (sensíveis ao calor, ultrassom, tensão, deformação, capacitância, eletromagnéticas, fotoelétricas, fibra ótica, etc.) permite a criação de diferentes tipos de VSF, conforme mostrado na Tabela 1. Tabela 1 – Lista de geradores de vórtices e métodos de detecção. Os elementos de detecção convertem o sinal gerado pelos vórtices em sinais elétricos. Esses sinais são fracos e contêm ruídos de diferentes naturezas. Por isso, é necessário realizarmos operações como amplificação, filtragem e formação do sinal, a fim de obter um sinal de pulso que esteja proporcional ao fluxo. ⑶ Os diferentes métodos de detecção dos conversores devem ser equipados com amplificadores pré-finais com características distintas, conforme listado na Tabela 2. ⑷ O corpo do instrumento pode ser do tipo de fixação por aperto ou do tipo com flange, conforme mostrado na Figura 7. Figura 7 – Corpo do medidor III. Considerações de instalação: O VSF é um medidor de vazão sensível a distorções na distribuição da velocidade do fluxo nos canos, bem como a fluxos rotativos e flutuações no fluxo. Portanto, é necessário prestar atenção especial às condições de instalação dos canos no local, seguindo as instruções fornecidas pelo fabricante. O VSF pode ser instalado em ambientes internos ou externos. Se for instalado em um poço, existe a possibilidade de inundação; nesse caso, deve-se usar sensores do tipo salivar. Os sensores podem ser instalados nos tubos de forma horizontal, vertical ou inclinada. No entanto, ao medir líquidos e gases, é necessário prestar atenção à posição de instalação, a fim de evitar interferências causadas por bolhas e gotas de líquido, conforme mostrado na Figura 16. Figura 16 Instalação de fluidos em fase mista (a) Instalação de instrumentos para medição do fluxo de gás contendo líquido ； (b) Para a instalação de instrumentos de medição do fluxo de líquidos contendo gás, é necessário garantir que haja um comprimento suficiente de trechos de tubulação reta antes e depois do instrumento, conforme mostrado na Figura 17. Existem diferenças nos dados em várias fontes. A razão para isso pode ser o fato de que os dispositivos geradores de vórtices ainda não foram padronizados; ainda é preciso verificar até que ponto as diferenças em seu formato e tamanho afetam os resultados ； Os estudos sobre o comprimento necessário dos trechos de tubo reto para os vários tipos de componentes de restrição ao fluxo ainda são insuficientes; em outras palavras, ainda não estão desenvolvidos o suficiente. Em comparação com os medidores de vazão por diferença de pressão do tipo throttle, os trabalhos nessa área ainda estão em seu estágio inicial. Figura 17: Requisitos em relação ao comprimento dos trechos de tubulação reta acima e abaixo do medidor de vazão de tipo turbina (a) Uma curva de 90° ； (b) Expansão concêntrica ； (c) Contração concêntrica da válvula completamente aberta ； (d) Duas curvas de 90° em planos diferentes ； (e) Válvula de regulação em posição parcialmente aberta ； (f) A conexão de dois sensores com curvaturas de 90° no mesmo plano com o tubo é mostrada na Figura 18. Ao conectar ao tubo, preste atenção aos seguintes pontos. Figura 18: Conexão do sensor com o tubo 1) O diâmetro interno dos tubos a montante e a jusante é igual ao diâmetro interno do sensor, D`. A diferença entre eles deve satisfazer a seguinte condição: 0,95D ≤ D` ≤ 1,1D. 2) Os tubos devem estar concêntricos com o sensor, sendo que a coaxialidade deve ser menor que 0,05D`. 3) A junta de vedação não deve se projetar para dentro do tubo; seu diâmetro interno pode ser 1 a 2 mm maior que o diâmetro interno do sensor. 4) Para realizar a inspeção da interrupção do fluxo e a limpeza do sensor, deve-se instalar um tubo de derivação, conforme mostrado na Figura 19. Figura 19: Esquema do tubo de derivação 5) A redução dos efeitos das vibrações no VSF deve ser considerada um problema importante na instalação em campo do VSF. Primeiro, ao escolher o local de instalação do sensor, tente evitar fontes de vibração. Em segundo lugar, pode-se considerar o uso de mangueiras elásticas para conexões em diâmetros pequenos. Terceiro, a instalação de suportes para tubulações é um método eficaz de reduzir as vibrações. Um exemplo de método de suporte para tubulações é mostrado na Figura 20. Figura 20: Exemplo de instalação de suportes para tubulações. A instalação completa inclui seções de tubo retas na parte frontal e posterior, além de ajustadores de fluxo. Esses elementos são importantes para garantir medições de alta precisão. Além disso, a instalação desses componentes na fábrica de produção garante uma melhor qualidade na instalação. A Figura 21 mostra um exemplo de instalação. Figura 21: Na instalação elétrica de tubulações para medições de alta precisão, deve-se prestar atenção ao fato de que a conexão entre o sensor e o conversor deve ser feita por meio de cabos blindados ou cabos de baixo ruído. A distância entre eles não deve exceder os valores especificados no manual de instruções. Ao fazer o cabeamento, mantenha-o longe dos fios de alimentação de alta potência e, sempre que possível, use um invólucro metálico separado para protegê-lo. Deve-se seguir o princípio de “um ponto de aterramento”, sendo que a resistência de aterramento deve ser inferior a 10Ω. Tanto os modelos integrados quanto os separados devem ser aterrados no lado do sensor; o ponto de aterramento da carcaça do conversor deve estar “no mesmo nível de terra” que o sensor. IV. Fenômenos de falha e soluções