Aplicações e seleção de medidores de vazão massiva de gás termal

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Este tópico foi editado pela última vez por *aojiaoya0546 em 28/06/2016, às 19:31. Os medidores de vazão de gás termal são cada vez mais reconhecidos e utilizados pelos usuários, devido às suas excelentes características únicas. Eles já são aplicados em diversos cenários de medição de vazão de gás. Mas, nessas aplicações, também existem muitos problemas e equívocos. A publicidade irresponsável por parte de muitos fabricantes, além das deficiências de qualidade dos produtos, causam diversos obstáculos e dificuldades no uso desses equipamentos. Isso faz com que muitos usuários tenham concepções errôneas sobre os medidores de vazão de gás de tipo térmico. Alguns acreditam, de maneira errônea, que esses medidores podem ser usados para medir o fluxo de gás em todas as condições possíveis; outros, por sua vez, rejeitam completamente esses dispositivos. Nos últimos anos, dediquei-me à promoção e divulgação dos medidores de vazão a gás de tipo térmico. Tive contato com vários modelos de medidores de várias marcas, nacionais e internacionais. Durante essa atividade, encontrei muitos problemas relacionados à sua aplicação prática. Acumulei muitos casos desse tipo, e, ao analisá-los, cheguei a algumas conclusões próprias. Gostaria de compartilhá-las com vocês. I. A história do medidor de vazão massiva de gás por método térmico: Na década de 1960, nos Estados Unidos, havia dois estudiosos renomados: o Dr. John Olin e o Dr. Jerry Koz. Os dois se formaram na Universidade de Stanford e começaram a trabalhar na empresa TSI, em Minnesota. De 1968 até o início dos anos 70, eles trabalharam no departamento de desenvolvimento da TSI, focando principalmente no desenvolvimento de anemômetros para uso na área de HAVC. Mais tarde, eles deixaram a empresa TSI e começaram a desenvolver, juntos, seus próprios medidores de vazão de gás por método térmico. Eles sabiam que os anemômetros a fio quente não eram adequados para uso em ambientes industriais. Os produtos iniciais eram anemômetros e sensores de velocidade do vento, além de equipamentos para coleta de amostras de ar; esses foram os produtos que formaram a base inicial da Sierra Instruments. A Sierra Instruments foi fundada em 1973, em Minnesota. Em 1975, a Sierra Instruments se mudou de Minnesota para Califórnia. Após alguns anos de parceria, em 1977, os dois se separaram: o Dr. John Olin ficou com a Sierra Instruments e os produtos relacionados à coleta de amostras de ar, enquanto o Dr. Jerry Kurz fundou a Kurz Instrument, adquirindo os produtos de medição da velocidade do vento e dos sensores de velocidade do ar da empresa anterior. A Sierra desenvolveu medições com medidores de vazão térmicos para ar e gás natural, incluindo aplicações em gases multicomponentes. Os medidores térmicos Sierra também são amplamente utilizados no setor industrial, incluindo a indústria farmacêutica, a biotecnologia, a indústria petroquímica e a siderurgia ； Também é utilizado na medição do fluxo de ar de combustão, no controle da dosagem de gás natural e no monitoramento dos gases emitidos pelas chaminés. A Sierra é a única empresa que abrange todo o campo de medição de vazão de gás, desde 0,1 mililitros por minuto, até taxas de vazão de massa de centenas de metros por segundo. Só saem de fábrica após calibração individual e em fluxo real. A principal aplicação dos instrumentos Kurz é em usinas elétricas. A Kurz desenvolveu uma série de medidores de vazão térmicos, de tipo ponto único e múltiplo, para medir e monitorar gases residuais e gases de combustão. Os relógios da Kurz também são utilizados nas indústrias de refino, cimento, papel e em outros processos industriais. Na mesma época em que surgiram a Sierra e a Kurz, nos Estados Unidos havia outra empresa famosa: a FCI. A empresa FCI foi fundada em 1964. Inicialmente, ela fabricava interruptores térmicos na Califórnia, com o objetivo de determinar se o petróleo transportado pelos campos petrolíferos estava em movimento ou parado. Esses dispositivos não eram utilizados para medir o fluxo de petróleo. Somente em 1981 é que a empresa passou a produzir verdadeiros medidores de fluxo ； Naquele ano, a FCI começou a instalar uma grande quantidade de componentes eletrônicos nos medidores de chaveamento, o que permitiu o desenvolvimento do primeiro medidor de vazão termal para medição de gases. Posteriormente, alguns funcionários que saíram das empresas Sierra, Kurz e FCI fundaram suas próprias empresas dedicadas à produção e desenvolvimento de medidores de vazão de gás de tipo térmico. Essas empresas passaram a exercer influência e a se expandir para outras regiões do mundo. II. Princípio e estrutura do medidor de vazão massiva de gás por método térmico O medidor de vazão massiva de gás por método térmico utiliza o princípio da difusão térmica. A tecnologia de difusão térmica é uma técnica que apresenta bom desempenho e alta confiabilidade em condições adversas. Seus componentes sensores típicos incluem duas resistências térmicas (fios de platina), sendo uma delas um sensor de velocidade e a outra, um sensor para medir a temperatura do tubo de transmissão. Quando esses dois sensores são colocados dentro do gás, o sensor de temperatura mede a temperatura do gás no interior do tubo. Já o sensor de velocidade contém um fio elétrico aquecido, que é mantido em uma temperatura superior àquela medida pelo sensor de temperatura (o que corresponde à temperatura do gás no tubo), e essa temperatura é mantida constante. O fluxo de ar leva embora o calor do sensor de velocidade, diminuindo assim a diferença de temperatura. Para manter a diferença de temperatura constante, é necessária uma potência elétrica adicional para compensar o aquecimento, e o valor dessa potência de compensação é proporcional ao fluxo de massa do gás. Os sensores de vazão térmicos utilizados em tubulações industriais possuem sondas de velocidade e de temperatura feitas de resistores de platina. Eles contam com uma estrutura de proteção robusta; o fio de platina não entra em contato direto com o fluido, por isso são amplamente utilizados. A estrutura de proteção é geralmente feita de material 316L. Para meios gasosos corrosivos, são utilizados materiais como liga Hastelloy ou tântalo. A seguir, explicaremos de forma mais detalhada o princípio de medição dos medidores térmicos por meio de fórmulas, e também entenderemos por que os medidores de vazão térmicos são, na verdade, medidores de vazão em termos de massa. Fórmula: H = M × Cp × ΔT. Ao se medir a quantidade de calor H, mantendo constante a diferença de temperatura ΔT, é possível determinar diretamente o fluxo de massa do gás, M, para um gás com capacidade térmica específica Cp constante. Vamos falar, em nível microscópico, sobre por que é necessário medir o fluxo de massa do gás. As moléculas de gás entram em contato com a parede aquecida, o que permite a transferência de calor e, assim, a retirada do calor das sonda localizada no sensor. Como as moléculas de gás têm capacidades diferentes para transportar calor, ao se conhecer a capacidade de condução térmica das moléculas de gás (ou seja, o valor de Cp), é possível determinar diretamente o número de moléculas de gás que passam por um determinado local, através da medição da potência elétrica dissipada. O número de moléculas corresponde à massa do gás, e assim é possível calcular a vazão de massa do gás. Um revestimento de aço inoxidável é aplicado ao redor do fio elétrico de platina, a fim de resolver os problemas relacionados à vida útil do fio e à sua resistência à corrosão. Isso **amplia as áreas de aplicação dos sistemas de aquecimento por radiação térmica. No entanto, esse processo é bastante complexo. O fio elétrico de platina conduz eletricidade, e a capa de aço inoxidável também conduz eletricidade. Isso exige que o material de preenchimento entre eles tenha uma excelente capacidade de condução térmica, mas não deva conduzir eletricidade. Isso leva ao elemento central de todos os medidores de vazão por calor: o material de preenchimento da sonda de aquecimento e o processo de encapsulamento. Olhando para todos os fabricantes de medidores de vazão de tipo térmico no mundo, há poucas marcas que realmente resolvem esse problema. Os fabricantes nacionais utilizam materiais orgânicos como resina epóxica, cimento cerâmico, pastas resistentes ao calor, pó de alumínio óxido e pó de magnésio óxido. A utilização desses materiais pode causar alguns defeitos nos sensores: por exemplo, a resistência térmica de sua superfície aumenta com o tempo de uso, fazendo com que a curva de saída decline. Isso reduz a sensibilidade do sensor, afetando assim sua precisão. O uso desses materiais acarreta a redução da vida útil do sensor e um aumento na taxa de falhas. No país, existem muitas fabricantes que analisaram uma grande quantidade de produtos de marcas estrangeiras e realizaram muitas pesquisas e desenvolvimentos. No entanto, devido à escassez de investimentos em pesquisa, tanto os profissionais responsáveis pelo desenvolvimento quanto os recursos financeiros são insuficientes. Isso faz com que não seja possível resolver esses problemas de maneira eficaz, resultando em produtos que ficam muito atrás dos padrões internacionais avançados, o que limita sua aplicação prática. O Dr. John O’Leary, da empresa americana SIERRA, liderou sua equipe em um esforço contínuo e meticuloso ao longo de décadas. Finalmente, em 1999, eles conseguiram aperfeiçoar uma tecnologia revolucionária para medir a vazão de massa de gases: o “sensor seco” sem derivação. A tecnologia patenteada do sensor Dry utiliza um preenchimento inorgânico com propriedades isolantes de nível nanométrico, sendo que, por meio de processos de moldagem sob alta pressão, esses materiais nanométricos tornam-se ainda mais densos. Isso garante que o sensor não apresente desvios de medição ao longo de dez anos. Para os medidores de vazão de massa de gás de tipo térmico, embora existam princípios de medição muito avançados e as fabricantes possuam métodos científicos e padronizados de controle de qualidade, para se alcançarem indicadores técnicos excelentes, é necessário também contar com técnicas de calibração baseadas em fluxos reais, de forma científica e rigorosa. Sabemos o princípio do tipo térmico: a massa do fluido está em proporção com a potência elétrica utilizada para o aquecimento. Além disso, ela também está relacionada ao calor específico do meio fluido que está sendo medido. A capacidade térmica de cada gás varia em diferentes temperaturas, e em alguns gases essas diferenças são ainda maiores. Se se contar apenas com o ar à pressão atmosférica para calibração, e posteriormente fazer correções, para obter um medidor de vazão de alto desempenho, isso ainda não é científico. Além disso, a experiência comprovou que os medidores de vazão sem calibração real apresentam grandes desvios nos dados ao medir meios diferentes do ar. Nesse aspecto, não existe no país nenhuma empresa que possua tecnologia de calibração com fluxo real; todas utilizam calibração com ar a baixa pressão, em modo aberto. Portanto, ao aplicar em meios que não sejam ar, se houver alta exigência, tente evitar produtos calibrados para ar. III. Aplicações e seleção do modelo Características de aplicação dos medidores de vazão de massa por método térmico: a. Amplitude de medição extremamente ampla: os medidores de vazão de massa por método térmico possuem uma vantagem que outros tipos de medidores não têm – uma amplitude de medição muito grande, permitindo a detecção de velocidades de fluxo que vão desde 0,05 Nm/s até 100 Nm/s (algumas marcas conseguem medir velocidades acima de 200 Nm/s). b. Medidor de vazão de massa verdadeiro: O medidor de vazão de massa de tipo térmico se diferencia dos outros medidores de vazão de gás, pois não requer correções de pressão e temperatura. Ele mede diretamente a vazão de massa do gás, sendo, portanto, um verdadeiro medidor de vazão de massa direto. c. Sem dispositivo de compensação de tensão: ao medir o fluxo de gás, o medidor de vazão por massa de gás de tipo térmico não requer, ao contrário de outros medidores de vazão, a utilização de dispositivos de medição de pressão e temperatura. **Simplificou a configuração dos equipamentos no local, reduzindo os falhas e as necessidades de manutenção. d. Baixa perda de pressão: Devido ao design especial do sensor, o medidor de vazão massiva de gás de tipo térmico **reduz a perda de pressão causada pelo sensor de fluxo do fluido, sendo adequado para tubulações de qualquer formato, desde que seja conhecida sua área de seção transversal. e. Instalação simples: o medidor de vazão massiva de gás de tipo térmico exige muito pouco trabalho de instalação. Devido à sua estrutura de inserção, pode ser instalado e mantido em operação, o que **reduz os custos de instalação e manutenção. f. Diversos métodos de medição: o medidor de vazão massiva de gás de tipo térmico pode oferecer soluções de medição em um único ponto ou em vários pontos, de acordo com as condições reais do local de uso e com as exigências de medição do usuário. A medição em um único ponto consiste em usar diretamente um medidor de vazão para determinar o fluxo real de gás no tubo. A medição em vários pontos é utilizada principalmente para a medição do fluxo em tubulações grandes. Os sinais dos vários medidores de fluxo, localizados na seção transversal da tubulação, são enviados ao controlador de fluxo para processamento, permitindo assim obter um valor preciso do fluxo. Isso tem grande aplicabilidade na medição de fluidos em grandes diâmetros, onde a transformação tecnológica das empresas e as limitações nos processos causam instabilidade no campo de fluxo. De acordo com numerosos estudos realizados ao longo dos anos, os medidores de vazão de gás de tipo térmico apresentam boas características de saída. Eles possuem alta sensibilidade, especialmente em baixos níveis de vazão. A faixa de medição de vazão é de 100:1 ou até maior ainda. Existem aplicações específicas no campo de medição do fluxo de gás, mas também há muitos problemas ainda por resolver. O problema da baixa consumo de energia: como as sondas térmicas precisam de uma certa corrente de aquecimento, é difícil alcançar um funcionamento com baixo consumo de energia alimentado por bateria. Quanto aos efeitos da umidade e aos métodos de correção, como é difícil regular e detectar as condições de umidade, ainda não existem métodos eficazes para obter dados experimentais sobre os efeitos da umidade em medidores de vazão de tipo térmico, nem para realizar as correções necessárias. O problema causado pela poeira é o seguinte: se o sensor termico funcionar por um longo período em um ambiente com ar contendo poeira (principalmente poeira úmida; a poeira seca tem dificuldade em se fixar no sensor), a superfície do sensor será contaminada. Isso afetará sua capacidade de dissipação de calor, o que por sua vez alterará as características de saída do medidor de vazão. No entanto, ainda não é possível determinar com precisão qual é o impacto exato. Outro ponto é que não pode ser utilizado em situações de variação de vários meios. Em condições de mistura de vários meios, se a proporção de cada um deles permanecer constante, ainda é possível atender aos requisitos por meio de fatores de correção. Além disso, se a temperatura nas condições de operação variar muito, por exemplo, em mais de 100 graus, o uso de medidores de vazão de gás térmicos pode causar perda de precisão. Portanto, é preciso escolhê-los com cuidado. Como escolher um medidor de vazão massiva de gás de tipo térmico? Existem dados que comprovam que, em termos de probabilidade de falhas nos medidores de vazão, uma escolha inadequada do medidor é responsável por cerca de 70% dessas falhas. Isso mostra o quão importante é a escolha correta para a medição de vazão. Os usuários de medidores de vazão de massa de gás por método térmico devem prestar atenção especial: não escolham um determinado modelo de medidor, a menos que queiram substituir o medidor existente. É melhor deixar essa tarefa para o vendedor, pois eles são profissionais nisso. Você só precisa fornecer os dados de condições de operação mais completos possíveis e algumas exigências técnicas. Por exemplo, a faixa de vazão (recomenda-se que a unidade de vazão seja o metro cúbico), o meio a ser medido, o diâmetro do tubo, o material do tubo, a pressão de operação, a temperatura de operação, se é necessário um dispositivo à prova de explosões, a temperatura ambiente em que o medidor funciona, as exigências relativas à fonte de alimentação do sinal, o grau de precisão, para qual processo será utilizado (controle de processo ou medição comercial), o grau de umididade e pureza do meio a ser medido, e, no caso da medição da vazão de gases mistos, é necessário fornecer os valores percentuais de cada componente do gás. Por fim, um lembrete: se houver condições no local, escolha um medidor de vazão integrado. Se for um sistema modular, como os cabos de transmissão de sinais fazem parte do circuito de medição, eles possuem uma resistência própria. Por mais que sejam bem projetados, a baixa resistência dos sensores de medição faz com que a resistência desses cabos afete o funcionamento e o processamento dos circuitos eletrônicos. Além disso, devido às condições do ambiente em que o equipamento está instalado, a resistência desses cabos pode sofrer variações. Se for necessário escolher um modelo separado, recomenda-se que a distância entre as partes seja o mais curta possível. Acima estão algumas das minhas experiências ao longo dos últimos anos; espero que possam ajudar a todos. Se houver alguma questão que precise ser discutida, pode-se falar em particular.