Análise da faixa de medição de vazão por diferença de pressão

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　No controle de processos, é comum encontrar medidores de vazão baseados na diferença de pressão. Embora existam diversos tipos, como placas de orifício avançadas, placas de orifício simples, medidores de vazão com tubos curvos e tubos Venturi, o princípio por trás de todos eles é o mesmo: ele se baseia na equação de Bernoulli. Nos materiais de divulgação dos fabricantes, costuma-se encontrar informações sobre a relação de escala desses medidores de vazão. Por exemplo: 10:1, 20:1, ou até mesmo 40:1, 100:1. Isso significa que, mesmo quando o vazão medida for 1/40 ou até 1/100 do valor máximo, ainda é possível manter a precisão do medidor. Então, qual é a verdade? Até que ponto pode ser grande a relação de escala? A seguir, será feita uma análise tomando como exemplo a placa de orifício. 　　　　1 Análise dos parâmetros que afetam a relação de faixa da placa orifical     A fórmula para o cálculo do vazão em instrumentos baseados na diferença de pressão é:       (1)     Pode-se observar que a vazão está relacionada ao coeficiente de vazão C, à razão de abertura β, ao coeficiente de expansão ε, à diferença de pressão e à densidade ρ. Portanto, a relação de faixa da placa orifical também está relacionada a esses parâmetros. Para discutir o problema da relação de faixa, primeiro devemos analisar os parâmetros envolvidos. 　　　　1.1 Coeficiente de vazão C O coeficiente de vazão é a razão entre o fluxo real e o fluxo teórico. Desde o início dos anos 90, vários laboratórios ocidentais realizaram numerosos experimentos, acumulando grandes quantidades de dados experimentais e criando padrões internacionais. Por isso, a placa de orifício é, até hoje, um dos medidores de vazão que permite garantir a precisão das medições apenas através do controle das dimensões geométricas, sem a necessidade de calibração com fluxo real. Além disso, como a parte do orifício que entra em contato com o fluido é basicamente composta por componentes mecânicos puros, ela consegue suportar altas temperaturas e pressões, o que determina sua ampla aplicação em diversos campos. Em particular, o surgimento das placas de troca de orifícios avançadas **ampliou seu campo de aplicação. 　　　　Sem levar em consideração outros fatores, a incerteza no coeficiente de vazão da placa de orifício é, em geral, de 0,6%. 　　　　A Tabela 1 mostra as placas de orifício para medição da pressão em junções angulares, conforme especificado na ISO5167, e apresenta a variação do coeficiente de vazão em função do fluxo. 　　　　No quadro, é utilizado o número de Reynolds. No mesmo meio, no mesmo tubo, o número de Reynolds é diretamente proporcional ao caudal. Tomando como exemplos β=0,5, número de Reynolds=3′105 e número de Reynolds=3′104, a vazão varia 10 vezes. O coeficiente de vazão passa de 0,6037 para 0,6096. É possível observar que, à medida que a vazão muda, o coeficiente de vazão também muda significativamente: uma variação de 10 vezes na vazão resulta em uma variação de quase 1% no coeficiente de vazão. Atualmente, muitas pessoas acreditam que, desde que se compense a densidade, é possível garantir precisão em uma ampla faixa de valores. Isso, no entanto, não é científico. Se o coeficiente de vazão utilizado para a abertura da placa de orifício for aplicado em todo o intervalo de vazão, isso certamente causará grandes erros. Portanto, é indispensável um potencial de compensação para o coeficiente de vazão. 　　　　Agora, a ISO5167 fornece a fórmula para o coeficiente de vazão. A fórmula para a medição de pressão em junções angulares é:　　　　　　　　　　　Onde, à medida que o fluxo muda, ReD torna-se uma variável. Incorporar essa fórmula no computador resolve, basicamente, o problema da compensação do coeficiente de vazão. 　　　　As fórmulas para outros métodos de medição de pressão também podem ser inseridas no computador, de acordo com as normas, para fins de compensação. 　　　　1.2 Relação de aberturas β     A relação de aberturas refere-se à proporção entre as aberturas da placa de orifícios e o diâmetro interno do tubo. Uma vez que a placa de orifícios é concluída, sua relação de orifícios já está definida. No entanto, como os tubos e as placas de orifício são frequentemente feitos de materiais diferentes, seus coeficientes de expansão também variam. Por isso, à medida que a pressão e a temperatura mudam, a relação entre o diâmetro do orifício e outras variáveis também sofre alterações. No cálculo da placa de orifício, geralmente se determina o diâmetro dos orifícios na placa considerando a temperatura e a pressão de operação especificadas pelo processo. Em seguida, esse valor é convertido para o valor correspondente ao diâmetro dos orifícios à pressão de 1 atmosfera e à temperatura de 20°C. Embora a relação entre isso e a escala de vazão não seja muito significativa, se as temperaturas e pressões de operação não forem precisas, isso afetará diretamente a exatidão dos cálculos. Claro, a razão de vazão também será influenciada. Desde que sejam atendidas as exigências relativas à perda de pressão, recomenda-se que o valor de β seja mantido entre 0,5 e 0,6. 　　　　1.3 Coeficiente de expansão O coeficiente de expansão também varia de acordo com a diferença de pressão, ou seja, varia com o fluxo. Se todo o intervalo de fluxo utilizar o mesmo coeficiente de expansão ε, isso causará grandes erros. Atualmente, a ISO5167 fornece a fórmula para o coeficiente de expansão. Com o desenvolvimento dos computadores, similarmente à compensação do coeficiente de vazão, só é possível **aumentar a precisão das medições** se essa fórmula for incluída nas fórmulas de cálculo das placas de orifício no sistema de controle central. 　　　　1.4 Valor de diferença de pressão Como é bem sabido, a precisão e a faixa de medição do transmissor de diferença de pressão têm grande influência na precisão e na faixa de medição da placa de orifício. Por isso, nos últimos anos, os fabricantes vêm aumentando constantemente a precisão e a faixa de medição dos transmissores de diferença de pressão. A seguir, será feita uma análise tomando como exemplo o transmissor de diferença de pressão ROSEMENT3051CD2-5, que é amplamente utilizado. 　　　　Esse transmissor tem uma precisão de 0,065% dentro da faixa de medição de 10:1. Para valores acima dessa faixa, a precisão diminui. 　　　　A partir da equação (1), pode-se ver que o fluxo é diretamente proporcional à raiz quadrada da diferença de pressão. Portanto, quando a relação de fluxo do transmissor de diferença de pressão é de 10:1, a relação de escala de fluxo será de 1 = 3,6:1. E a relação de escala de 3,16:1 está longe de atender às exigências do local. 　　　　A seguir, será feito o cálculo tomando como exemplo um ponto de fluxo 1/10 do valor máximo. A vazão é 1/10 da vazão maior, e a diferença de pressão é 1/100 da diferença de pressão maior. Portanto, a precisão do transmissor de diferença de pressão, calculada com base na equação acima, nesse ponto é de 0,515%. Se a diferença de pressão correspondente a um fluxo específico for de 100 kPa, então a diferença de pressão nesse ponto deve ser de 1 kPa. Assim, 1 ± 1 * 0,515% = 1 ± 0,00515. Ou seja, a diferença de pressão nesse ponto fica entre 0,99485 e 1,00515 kPa. Ao tirar a raiz quadrada, obtemos valores entre 0,9974 e 1,00257. Isso significa que o fluxo real está entre 99,74% e 100,26% do fluxo nominal, com um erro de 0,26%. Além disso, devido à influência de parâmetros como o coeficiente de vazão C e o coeficiente de expansão, torna-se muito difícil garantir uma precisão de 1% ou até mesmo 0,5% na medição do fluxo em 1/10Qmax. Os leitores interessados podem calcular que, quando o fluxo é 1/20 do valor máximo, o erro do transmissor de diferença de pressão nesse ponto já é muito maior que 1%. Portanto, se uma razão de fluxo de 10:1 ainda permite garantir uma precisão razoável, então com uma razão de 20:1 já é difícil assegurar a precisão. Se for utilizado um transmissor de diferença de pressão de faixa baixa, como sua precisão e relação de faixa são menores do que as dos medidores de diferença de pressão de faixa média, então, à medida que o fluxo muda, a variação do erro de saída será maior. Não há necessidade de repetir isso aqui. 　　　　1.5 Densidade ρ      A variação da densidade tem um impacto crucial no fluxo, especialmente na medição do fluxo de gases ou vapores. Com o desenvolvimento da tecnologia de computadores, a compensação da densidade tornou-se algo muito fácil. É possível inserir no computador as equações relacionadas às propriedades dos gases ou tabelas de densidade dos vapores, bem como fórmulas que descrevem como a densidade dos líquidos varia com a temperatura e a pressão. Portanto, embora a densidade seja crucial, desde que os métodos de compensação relacionados sejam bem implementados, seu impacto na relação de escala é relativamente pequeno. Mas nem todas as variações de temperatura e pressão em qualquer faixa podem ser compensadas por meio da alteração da densidade. 　　　　Além disso, fatores como a posição de instalação, o grau de concentricidade na instalação, os trechos de tubo retos, os elementos que causam resistência ao fluxo, as variações de temperatura no transmissor e as desvios no ponto zero também têm grande impacto no fluxo. Isso também afeta naturalmente a relação de faixa. 　　　　　　　　2 Várias maneiras de expandir a faixa de medição das placas de orifício      As placas de orifício com ampla faixa de medição continuam sendo um assunto que merece discussão. Se a compensação de densidade for feita de forma isolada, não é possível garantir a precisão das medições em uma faixa tão ampla. Se, além da compensação da densidade, também forem feitas compensações para os outros parâmetros mencionados acima, e se as condições de instalação no local atenderem aos requisitos padrão, além disso, se a faixa de vazão estiver entre 10:1, a precisão do medidor de vazão com orifício pode chegar a 1,0% a 1,5%. Se a relação de escala já ultrapassar 10:1, o autor sugere que seja escolhido outro tipo de medidor de vazão, de acordo com as características do meio em questão, ou que se opte por outro método para aumentar a relação de escala da placa de orifício. 　　　　Os métodos para ampliar a faixa de medição das placas de orifício geralmente se dividem em três tipos: 1) combinar vários fluxos maiores em paralelo para realizar as medições ； Geralmente, este método é utilizado na calibração de equipamentos. Diferentes tubulações possuem diferentes faixas de vazão. Para obter uma vazão maior, basta utilizar a tubulação cuja capacidade seja igual à vazão desejada. 2) É possível alterar o valor de β realizando a substituição das placas do orifício, o que permite a substituição do medidor de vazão com orifício, também conhecido como válvula de orifício ； 3) Utilizar um medidor de vazão com placa orifical em paralelo com diferenciais de pressão de diferentes faixas para realizar as medições. Na prática, utiliza-se um medidor de vazão com placa orifcial em paralelo com três transmissores de diferença de pressão: um para baixa diferença de pressão, outro para média diferença de pressão e outro para alta diferença de pressão. Os três transmissores operam simultaneamente, enviando suas leituras ao mesmo tempo para a unidade de processamento. A unidade de cálculo utiliza um programa para filtrar os três dados de diferença de pressão. Ao mesmo tempo, são também determinados o coeficiente de vazão C e o coeficiente de expansibilidade ε. A temperatura e a pressão continuam a ser compensadas em tempo real. Esse método permite que a incerteza do sistema de medição de vazão seja controlada em ±1,2%, sendo possível aumentar a relação de escala para 15:1. 　　　　3 Conclusão      Em resumo, o medidor de vazão por diferença de pressão continua sendo um instrumento de medição de vazão com grande potencial de desenvolvimento. Para superar suas desvantagens, é necessário explorar constantemente novos métodos, a fim de que seu uso possa se tornar mais amplo e preciso.