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Nos locais industriais, há muitos pontos onde é necessário medir o fluxo de gás. As aplicações típicas incluem ar, gás natural, gás cloro, oxigênio, gases utilizados em tochas, gases de escape de veículos, entre outros. Em situações em que é necessário controlar a combustão, a medição do fluxo de gás é fundamental para um controle otimizado da relação ar/combustível. A distribuição do ar durante a combustão afeta diretamente sua estabilidade e eficiência. Nos processos de hidrocraqueamento na indústria petroquímica, a medição e o controle do fluxo de hidrogênio são extremamente importantes para otimizar a eficiência dos processos. Com o rápido desenvolvimento industrial do nosso país e as exigências ambientais que incentivam o uso de energias renováveis, a medição de gases passou a receber cada vez mais atenção. Mas, no momento, o problema da medição do fluxo de gás é bastante evidente. Por exemplo, os medidores de vazão de gás de grande diâmetro e alto fluxo apresentam muitos problemas ； A medição de gases mistos, nos quais há grandes variações em parâmetros como temperatura, pressão e composição, também é um grande desafio que precisa ser resolvido com urgência. 1.1 Características dos gases mistos Os gases mistos são meios frequentemente utilizados em ambientes industriais. Gás natural, gás de cozinha, gás utilizado em tochas e gases emitidos por caldeiras são exemplos comuns de gases mistos. Gases mistos geralmente possuem as seguintes características: a. Estão muito sujos. Em gases mistos, geralmente há alguns componentes “sujos”, como, por exemplo: no gás natural, existem componentes como alcatrão de carvão, poeira e água ； As emissões de fumaça contêm cinzas em suspensão. b. Componentes variáveis. Os componentes do gás misto sofrem certas mudanças, apresentando características variáveis no tempo. Por exemplo: o gás natural contém vários componentes, como CO2, O2, H2, CO e CH4. Com as mudanças nos processos de produção ou nas características das matérias-primas, a composição do gás natural pode sofrer alterações. Da mesma forma, o gás de tocha contém compostos de hidrocarbonetos, hidrogênio, sulfeto de hidrogênio, dióxido de carbono, nitrogênio e outros componentes. Mudanças nos processos das refinarias ou vazamentos em válvulas também podem causar alterações na porcentagem relativa desses gases no gás de tocha. c. Mudanças de temperatura e pressão. Por exemplo: a faixa de variação da temperatura do gás de tocha é muito ampla, indo de temperaturas baixas de várias dezenas de graus abaixo de zero até temperaturas elevadas de trezentos a quatrocentos graus. As variações de temperatura e pressão do gás misto a ser medido causam grandes erros de medição. Portanto, medir o fluxo de massa do gás misto é muito mais razoável do que medir o fluxo de volume. d. A variação do fluxo é grande. Gases mistos como gás natural, gás de cozinha e gás de tocha apresentam uma ampla faixa de variação no fluxo. Por exemplo, em uma refinaria que funciona normalmente, a velocidade do fluxo de gás na tocha é geralmente baixa; em condições de baixo fluxo, a velocidade típica varia entre 0,01 e 15 m/s. Porém, em casos de emergência, a velocidade do fluxo de gás na tocha pode chegar a 60 m/s em um curto período de tempo. O mesmo acontece com o gás natural e o gás urbano: a diferença entre o fluxo de gás durante os períodos de maior consumo e durante os períodos de menor consumo pode ser de mais de 20 vezes. 1.2 Discussão sobre os métodos de medição do fluxo de gás A maioria dos métodos existentes para medir o fluxo de gás apresenta, em diferentes graus, algumas deficiências, o que dificulta a resolução adequada do problema da medição do fluxo de gás. Os métodos de medição do fluxo de gás devem ser implementados por meio de medidores de vazão específicos. A seguir, é analisado os medidores de vazão de gás mais utilizados, bem como os problemas que surgem na medição do fluxo de gás. 1.2.1 Medidor de vazão por turbilhão – O medidor de vazão por turbilhão é um tipo de medidor de vazão desenvolvido na década de 1970. Atualmente, ele faz parte dos medidores de vazão mais utilizados. É amplamente utilizado para medir o fluxo de gases, líquidos e vapores. Os medidores de vazão de tipo “vortex street” têm se desenvolvido rapidamente, especialmente no que diz respeito aos métodos de detecção de sinais e ao processamento desses sinais. O uso desses medidores oferece algumas vantagens: por exemplo, sua instalação é fácil, e há uma pequena perda de pressão ； Existem muitos tipos de fluidos que podem ser medidos, como líquidos, gases e vapor ； Precisão elevada ； Ampla faixa de medição, que pode chegar a 10:1~20:1 ； Em uma determinada faixa de número de Reynolds, o sinal de saída não é afetado pelas propriedades do fluido (densidade, viscosidade) nem por sua composição. Ou seja, os coeficientes do instrumento dependem apenas da forma e dos dimensões do gerador de vórtices e do tubo ； Basta calibrar em um meio típico para que seja aplicável a vários meios. Mas os medidores de vazão por turbulência também apresentam algumas deficiências na prática: eles não são adequados para a medição de fluidos com baixo número de Reynolds ； A estabilidade da separação dos vórtices no fluxo está relacionada às distorções na distribuição da velocidade do fluxo e ao movimento rotacional do fluido. Portanto, é necessário utilizar trechos de tubo retos suficientemente longos ou instalar dispositivos de regularização, dependendo das formas de resistência presentes na parte superior do fluxo ； Os medidores de vazão do tipo “vortex street” que utilizam método de detecção baseado em força são sensíveis às vibrações mecânicas dos tubos, portanto não são adequados para ambientes com vibrações intensas ； Em comparação com os medidores de vazão por turbina, seu coeficiente de medição é menor e a resolução é baixa. Quando o medidor de vazão por tipo “vortex street” é utilizado para a medição de gases, as vibrações nos tubos causadas pelos equipamentos de pressurização, a força exercida pelo gás dentro dos tubos e as variações aleatórias da pressão do gás afetam a precisão da medição do fluxo. Além disso, na aplicação prática, geralmente é difícil manter uma velocidade do fluxo acima de 5 m/s. Isso faz com que o medidor de vazão por turbina apresente um erro significativo em condições de baixa velocidade de fluxo. 1.2.2 Medidores de vazão por diferença de pressão: Os medidores de vazão por diferença de pressão calculam o volume de fluxo com base na diferença de pressão gerada pelo elemento de restrição instalado no tubo, nas condições conhecidas do fluido, no tipo de elemento de restrição e nas dimensões geométricas do tubo. Seu uso ocupa o primeiro lugar entre os medidores de vazão. Nos últimos anos, com a popularização de vários tipos novos de medidores de vazão, a participação de mercado dos medidores de vazão por diferença de pressão tem diminuído gradualmente. No entanto, eles continuam sendo o tipo de medidor de vazão mais importante atualmente. Os medidores de vazão por diferença de pressão são amplamente utilizados na medição do fluxo de gás, sendo o tipo de medidor mais comum atualmente para a medição de gás natural e outros gases. De acordo com pesquisas realizadas nos últimos anos, estima-se que, entre os instrumentos de medição do fluxo de gás natural, as placas de orifício padrão representem cerca de 55% em nível internacional e cerca de 80% no mercado nacional. O medidor de vazão por diferença de pressão é composto por um dispositivo primário e um dispositivo secundário. Geralmente, os medidores de vazão por diferença de pressão são classificados de acordo com o tipo de elemento de regulação, como medidores de vazão com placa orifcial, medidores de vazão com tubo de Venturi, medidores de vazão com tubo de velocidade constante, entre outros. Os componentes de restrição dos medidores de vazão por diferença de pressão (especialmente os modelos padrão) são bastante universais e reconhecidos pelas organizações internacionais de normalização. A pesquisa experimental sobre os componentes de restrição padrão dos medidores de vazão por diferença de pressão é de caráter internacional; outros tipos de medidores de vazão dificilmente conseguem atingir tal profundidade e abrangência. O medidor de vazão por diferença de pressão padrão é o único tipo de medidor que pode ser utilizado sem a necessidade de calibração com fluxo real. Os medidores de vazão por diferença de pressão também apresentam algumas limitações em seu uso: a repetibilidade e a precisão das medições são de nível médio-baixo, e é difícil melhorá-las ainda mais ； A faixa de medição é bastante limitada, sendo geralmente de apenas 3:1 a 4:1 ； Não pode ser utilizado em situações com grandes variações de vazão. Alguns estudos também propuseram métodos para ampliar a faixa de medição dos medidores de vazão por diferença de pressão; no entanto, são necessárias condições específicas para sua instalação no local ； Os tubos de medição de pressão são suscetíveis a falhas como vazamentos, entupimentos, congelamento e distorção dos sinais ； Perda de pressão alta. Os medidores de vazão por diferença de pressão não são adequados para gases misturados mais sujos, como gás natural, gás de cozinha e gases de combustão. As principais razões para isso são: a) o gás natural e o gás de cozinha apresentam picos e mínimos de consumo, resultando em grandes variações na vazão. Como a faixa de medição dos medidores de vazão por diferença de pressão não é grande, isso causa erros significativos durante o uso. Na aplicação prática, geralmente se utiliza a conexão de tubos secundários em paralelo ao tubo principal para aumentar a faixa de medição do medidor de vazão por diferença de pressão. No entanto, isso acaba complicando o sistema de medição, elevando os custos de investimento e aumentando também as necessidades de manutenção. b. Gases mistos como gás de cozinha, gás natural e gases de combustão contêm impurezas que podem causar obstruções nos tubos de pressão e alterações nas características dos componentes de regulação. Para isso, algumas empresas desenvolveram placas de orifício laváveis, que permitem uma limpeza fácil, com o objetivo de realizar a limpeza de forma regular ou irregular, a fim de garantir o funcionamento adequado dos instrumentos e a precisão das medições. No entanto, na prática, ainda é difícil resolver os vários problemas causados pela sujeira. c. A perda de pressão é alta, o que não é favorável para o transporte de gás por tubulações. Além disso, os medidores de vazão por diferença de pressão não podem ser utilizados com fluidos de oxigênio ou em condições de baixa pressão. 1.2.3. Medidor de vazão com rotor – O medidor de vazão com rotor, também conhecido como medidor de vazão com flutuador, é um tipo de medidor de vazão que utiliza o princípio da variação da área. O medidor de vazão por rotores possui estrutura simples e seu uso é o segundo mais comum após os medidores de vazão por diferença de pressão. Ele desempenha um papel fundamental na medição de vazões muito pequenas. Os medidores de vazão de rotor único apresentam desvantagens, como diâmetro de tubulação pequeno e muitas restrições na instalação. O medidor de vazão por rotor tem baixa precisão e requer calibração com gás real, podendo ser utilizado apenas em aplicações onde não se exige alta precisão (precisão inferior a 2,5 graus). Gases como gás de cozinha e gás natural costumam enfrentar problemas relacionados à liquidação comercial, exigindo uma certa precisão de medição. Além disso, as mudanças nas composições dos gases mistos afetam o sinal de saída do medidor de vazão. Portanto, os medidores de vazão por rotores não são adequados para uso com gases mistos, em tubulações de grande diâmetro ou em situações que exigem alta precisão. 1.2.4 Medidor de vazão por turbina – O medidor de vazão por turbina é composto por um sensor e um dispositivo de conversão e exibição de dados. O sensor utiliza um rotor com várias pás para detectar a velocidade média do fluido, permitindo assim a determinação da vazão. A velocidade do fluxo do rotor pode ser detectada por métodos como indução magnética e ópticos, sendo posteriormente exibida, transmitida e registrada por dispositivos localizados na parte traseira. Os medidores de vazão por turbina são amplamente utilizados em diversos fluidos, como petróleo, líquidos orgânicos, líquidos inorgânicos, gás liquefeito, gás natural, gás urbano e fluidos a baixas temperaturas. No exterior, nas estações de transferência de gás liquefeito de petróleo, produtos petrolíferos refinados e petróleo bruto leve, bem como nas estações iniciais e finais das grandes tubulações de transporte de petróleo bruto, são amplamente utilizados medidores de vazão a turbina para fins de cálculo comercial. Na Europa e nos Estados Unidos, os medidores de vazão por turbina são os instrumentos de medição de gás natural mais utilizados, perdendo apenas para os medidores de vazão com placa orifical. Os medidores de vazão por turbina possuem as seguintes características: alta precisão, que geralmente pode chegar a 0,5% a 0,2% ； A faixa de medição é geral; a relação entre o fluxo máximo e o mínimo costuma ser de 6:1 a 10:1 ； Boa repetibilidade ； Baixa perda de pressão ； Saída de sinal digital ； Fácil de instalar e manter. As limitações do medidor de vazão por turbina residem no fato de que ele não consegue manter suas características de calibração por um longo período, sendo necessário realizá-la periodicamente ； Geralmente, não é adequado para a medição de vazão em meios de alta viscosidade ； As propriedades dos fluidos (densidade, viscosidade) têm grande influência nas características do fluxo ； A distribuição da velocidade do fluxo e as distorções têm grande impacto no volume de fluxo ； São exigidos altos padrões de limpeza para o meio a ser testado. Como se pode ver, embora os medidores de vazão por turbina tenham alta precisão, seu alcance é limitado em comparação com outros tipos de medidores. Além disso, eles são suscetíveis à contaminação e ao desgaste. O custo de fabricação dos medidores de vazão por turbina de grande diâmetro também é bastante elevado. Portanto, ocupa um lugar importante na medição do fluxo de gases limpos em diâmetros pequenos e médios (menores que DN300), mas é insuficiente para gases sujos como gás de cozinha e gás natural. 1.2.5. Medidores de vazão por ultrassom: Os medidores de vazão por ultrassom são instrumentos que medem o volume de fluxo do fluido, detectando a influência do feixe de ultrassom no fluxo do fluido. Não há perda de pressão, sendo um dos medidores de vazão que mais se desenvolveram nos últimos anos. Possui vantagens significativas na medição de vazões em tubulações de grande diâmetro. Os medidores de vazão ultrassônicos, quando utilizados em tubulações fechadas, podem ser classificados, com base no princípio de medição, em: método do tempo de propagação, método do efeito Doppler, método de deslocamento do feixe, método de correlação e método de ruído. A aplicação dos medidores de vazão por ultrassom começou na década de 1990. Devido às suas vantagens significativas – precisão elevada nas medições, ampla faixa de medição, ausência de perdas de pressão e ausência de componentes móveis –, eles foram bem recebidos pelos usuários. São utilizados para a medição do fluxo de gás. Até hoje, 12 países, como Estados Unidos, Holanda e Reino Unido, já aprovaram os medidores de vazão por ultrassom como instrumentos de medição legais para fins comerciais. Mas ele é adequado apenas para diâmetros médios e grandes, e seu preço é elevado. Atualmente, existem poucos usuários no país que utilizam medidores de vazão ultrassônicos importados para a medição do fluxo. 1.2.6. Medidor de vazão por roda de gás – O medidor de vazão por roda de gás é um tipo de medidor de vazão volumétrico, que oferece alta precisão e confiabilidade. Não é necessário ter trechos de tubulação retos antes e depois do dispositivo durante a instalação. Além disso, sua faixa de medição é bastante ampla, podendo chegar a 10:1. Mas, por razões estruturais, o corpo do medidor de vazão de roda de gás não consegue suportar as diversas tensões da tubulação durante a instalação, e é necessário que o meio seja muito limpo (caso contrário, as partes móveis podem travar). Portanto, sua aplicação na medição do fluxo de gases mistos encontra certas limitações. Além disso, como os medidores de vazão com rotores de grande diâmetro são extremamente volumosos, eles raramente são utilizados em tubulações de grande diâmetro. Em campo, eles são usados principalmente para medir o fluxo de gás em tubulações de pequeno diâmetro. Outros medidores de vazão de tipo volumétrico, como os medidores de vazão a úmido e os medidores de vazão tipo Roots, também têm dificuldades em ser utilizados com gases mistos devido a restrições na instalação. 1.2.7. Medidor de vazão massiva de gás por método térmico – O medidor de vazão massiva de gás por método térmico é um instrumento que utiliza o princípio de troca de calor para medir a vazão do gás. Ou seja, ele mede a vazão com base na troca de calor entre o gás em movimento e uma fonte de calor. Na década de 1960, os Estados Unidos foram os primeiros a desenvolver medidores de vazão de gás térmicos para a indústria aeroespacial. Posteriormente, esses dispositivos foram amplamente utilizados na indústria de semicondutores. O medidor de vazão massiva de gás por método térmico possui as seguintes características: consegue medir vazões muito baixas ； Sem partes móveis, alta confiabilidade ； A perda de pressão é muito pequena, quase insignificante ； Medição direta do fluxo de massa, sem necessidade de correções de pressão ou temperatura ； Saída de sinal elétrico, valor de saída alto ； Relação de faixa extremamente alta (1000:1) ； O preço não tem grande relação com o diâmetro do tubo; é fácil de instalar ； Boa reprodutibilidade. Atualmente, os medidores de vazão de gás de tipo térmico são amplamente utilizados em diversos setores industriais para a medição da vazão de gás, como na medição da vazão de gás natural, gás de cozinha, ar, gás utilizado em tochas, hidrogênio, oxigênio. Eles também são usados na indústria automobilística (para medir as emissões dos veículos), em sistemas CEMS, no setor médico-hospitalar (para medir a vazão de oxigênio e outros gases), na indústria de energia (para controlar a mistura de ar com combustível), em sistemas de aquecimento e ventilação, e em serviços públicos (para medir a vazão de gases como cloro e ozônio). 1.3. Medição do fluxo massivo de gás. A partir da análise dos instrumentos de medição de fluxo realizada anteriormente, pode-se concluir que a maioria dos medidores de fluxo mede o fluxo volumétrico. Na medição industrial, a temperatura, a pressão e a composição do meio em questão mudam constantemente. Isso faz com que os resultados da medição do fluxo volumétrico contenham erros significativos, tornando assim a medição inútil. Nestes contextos de aplicação, medir o fluxo massivo do meio é muito mais útil do que medir o fluxo volumétrico. Essas situações incluem a dosagem e o controle de qualidade na produção industrial, o equilíbrio entre materiais e energia, bem como os acordos comerciais. Após mais de 20 anos de pesquisa e desenvolvimento, foram criados medidores de vazão em massa com valor prático para aplicações reais. Os métodos mais comuns de medição do fluxo massivo são o método indireto e o método direto. 1.3.1. Medição indireta do fluxo de massa A metodologia de medição indireta do fluxo de massa é um dos métodos mais antigos utilizados na indústria para essa finalidade. Em aplicações em que não é necessária alta precisão de medição, onde as variações de temperatura e pressão são pequenas, ou quando existe uma relação linear entre a temperatura e a densidade do meio, o método indireto de medição do fluxo de massa é amplamente utilizado. No entanto, para meios cuja relação entre temperatura, pressão e densidade é bastante complexa, é difícil realizar uma compensação automática e precisa. Ao mesmo tempo, esse método de medição introduz a necessidade de medir vários parâmetros intermediários, o que resulta em um número elevado de etapas de medição, dificultando assim a garantia e a melhoria da precisão na medição do fluxo de massa. 1.3.2. Medição direta do fluxo de massa Até hoje, o método de medição direta do fluxo de massa evoluiu, resultando na criação de vários tipos de medidores de fluxo de massa. Dentre eles, alguns medidores de vazão em massa foram desenvolvidos a partir de medidores de vazão volumétrica. Por exemplo, o medidor de vazão em massa por diferença de pressão, composto por uma placa de orifício e uma bomba de fluxo constante; o medidor de vazão em massa de dois turbinas, formado por duas turbinas combinadas, etc. Devido a razões estruturais, esses medidores de vazão têm dificuldade em ser amplamente utilizados. Atualmente, na aplicação prática, para medir diretamente o fluxo de massa de fluidos em fase líquida ou de fluidos em fase mista com predominância de fase líquida, utiliza-se principalmente o medidor de fluxo de massa de tipo Coriolis. Já para medir diretamente o fluxo de massa de gases, utiliza-se, na maioria dos casos, o medidor de fluxo de massa de tipo térmico. Atualmente, os medidores de vazão em massa por efeito Coriolis ainda apresentam alguns problemas e limitações em sua aplicação. Eles são utilizados principalmente para medir fluidos monofásicos, sendo especialmente adequados para a medição de líquidos monofásicos. Há também alguns estudos que indicam que isso pode ser aplicado na medição do fluxo em atmosferas densas, mas esses resultados ainda não atingiram um nível de praticidade. O medidor de vazão massiva de gás por método térmico teve sua origem no “anemômetro de linha quente”. Com o reconhecimento das vantagens da tecnologia de medição térmica, os medidores de vazão de gás de tipo térmico passaram a se desenvolver rapidamente. Os medidores de vazão de gás térmicos são divididos em dois tipos: de equilíbrio energético e de convecção. Os medidores de vazão térmicos de equilíbrio energético também são conhecidos como medidores de vazão distribuídos termicamente ou medidores de vazão calorimétricos. Já os medidores de vazão de tipo convectivo se baseiam na lei de Kirchhoff, que diz respeito ao efeito de dissipação de calor (resfriamento); eles também são chamados de medidores de vazão intrusivos ou inseríveis. Os medidores de vazão térmicos de equilíbrio energético são mais utilizados na medição de baixos fluxos, enquanto, para a medição de altos fluxos, geralmente se usa medidores de vazão de gás térmicos de tipo convecional. Os medidores de vazão térmicos de tipo convectivo são divididos em dois tipos: o de energia constante (vazão constante) e o de temperatura constante (temperatura fixa). O medidor de vazão de gás térmico com estabilidade de temperatura possui uma velocidade de resposta maior em comparação com o modelo de energia constante; esse é o principal direcionamento de desenvolvimento dos medidores de vazão de gás térmicos atualmente. Os medidores de vazão de massa de gás de tipo térmico tradicionais exigem que o gás a ser medido seja de composição única ou com componentes fixos, além de terem requisitos bastante rigorosos em relação às condições de processo. No entanto, algumas empresas internacionais especializadas na fabricação de medidores de vazão de gás de tipo térmico, como a SIERRA nos Estados Unidos, já desenvolveram tecnologias avançadas nessa área. Esses medidores permitem obter resultados precisos na medição de gases em condições processuais complexas, onde há mistura de vários componentes. Além disso, a vida útil do produto pode chegar a 10 anos, com um desempenho excelente ao longo desse período. 1.4. Análise da viabilidade dos métodos de medição do fluxo de gases mistos. A partir da análise anterior, pode-se concluir que os medidores de fluxo ultrassônicos e os medidores de fluxo térmicos são mais adequados para a medição do fluxo de gases mistos. No entanto, os medidores de fluxo ultrassônicos são caros, o que dificulta sua utilização em larga escala. Os medidores de vazão de gás de tipo térmico têm preço acessível e são fáceis de utilizar. Eles apresentam vantagens na medição de gases mistos, portanto, a pesquisa nesse tipo de medidor tem um bom potencial de sucesso. A superfície de contato entre a sonda do medidor de vazão de gás por método térmico e o gás é composta por diversos metais ou ligas, que são resistentes à corrosão e às altas temperaturas, além de permitirem uma limpeza fácil da superfície suja. Geralmente, é projetado para instalação por inserção, com válvula de esfera, permitindo a inserção, retirada e limpeza da sonda online, sem interrupção do fluxo de gás. Dessa forma, é possível eliminar os efeitos da sujeira presente nos gases misturados. O medidor de vazão de gás termal mede diretamente a vazão em massa do gás, podendo eliminar, em grande medida, a influência das variações de temperatura e pressão do gás. O medidor de vazão de gás termal apresenta uma resistência mínima ao fluxo do fluido, praticamente sem perda de pressão. O medidor de vazão de tipo térmico possui uma faixa de medição muito ampla, o que o torna ideal para situações em que há grandes variações no fluxo de gases mistos.