Edição 110 - Controle & Instrumentação

Com muitos tipos de medidores no mercado, usuário deve ficar atento as peculiaridades do processo de sua planta na hora de escolher a tecnologia

O mercado de medidores de vazão têm mostrado um significativo crescimento nos últimos anos. De acordo com entidades da área de instrumentação dos Estados Unidos, o faturamento excedeu U$ 150 milhões em 2004 e o mercado projeta crescimento anual de quase 5%, até 2009.

Em visita ao Brasil, o consultor e especialista em medidores David Spitzer atendeu a reportagem da Revista Controle & Instrumentação e falou sobre as tecnologias de medição de vazão e nível.

Segundo Spitzer, o medidor de vazão é um instrumento utilizado para o controle de processo e detecção de perdas dos insumos da empresa. ”O medidor de vazão serve para converter recursos, como tempo, dinheiro e materiais, em medidas de quanto material está correndo”, afirma Spitzer.

De acordo com o especialista, na hora da compra do instrumento, o engenheiro deve considerar os custos iniciais de aquisição, os custos de instalação, os custos de operação e de manutenção - o que é comumente chamado de custo total de aquisição ou custo do ciclo de vida do instrumento.

Spitzer afirmou ainda que, no Brasil, existe certa tendência em experimentar instrumentos com novas tecnologias. “Nos Estados Unidos os medidores são instalados para funcionar por 20 anos ou mais. Aqui, foram instalados há cinco anos. E isso porque é mais fácil trocar de tecnologia quando esta não está rodando há 20 anos e você já está acostumado. Eu vejo certa similaridade com isso no Fieldbus; no Brasil, percebo mais adaptações do que no meu país” compara Spitzer.

No Brasil, existe um leque de opções de medidores, nacionais e importados - magnéticos, pressão diferencial, mássicos, ultra-sônicos, turbinas, térmicos - e a escolha de um desses vai depender de fatores como investimento, tipo de material a ser medido, tamanho da planta, grau de exatidão desejado, etc.

Consultor de renome mundial, David W Spitzer tem quase 30 anos de experiência industrial, incluindo 15 anos como chefe de instrumentação em uma companhia química e um ano trabalhando como engenheiro de instrumentação no Brasil. Ele escreveu 10 livros sobre medição de vazão, controle avançado, e acionamentos de velocidade variável.

Medidores de vazão

Medidor de vazão magnético Yokogawa AXF

Pressão Diferencial - medidor muito empregado no mercado. Algumas características justificam o alto uso deste aparelho - tecnologia conhecida, custo relativamente baixo, ausência de partes móveis, pouca manutenção e aplicação para muitos tipos de fluído. Todavia, o instrumento possui algumas limitações - faixa de medição restrita, sensíveis a fluidos sujos e ao perfil de fluxo, potencial para alto custo de manutenção (borda de placa de orifício gastos, orifício de tubos pitot obstruídos, etc).

Princípio: O princípio fundamental de todos os medidores de vazão que produzem uma pressão diferencial é a equação de energia de Bernoulli. Nela concluiu-se que, em uma tubulação fechada, não há perdas de energia e o medidor mais comum a utilizar este princípio é o de Placa de Orifício. Dados de entidades da área de instrumentação mostram que, nos Estados Unidos, cerca de 50% dos medidores de vazão usados pelas indústrias são desse tipo.

Spitzer: Esta tecnologia foi desenvolvida nos anos 20. No início, era mais usado em medições com água, mas houve uma expansão do seu uso pra gás, vapor e alguns fluidos que apresentam um pouco mais de viscosidade. Esses medidores não têm uma faixa de operação tão grande, razão pela qual está sendo ultrapassado por outros instrumentos.

Eletromagnéticos - os medidores eletromagnéticos têm a vantagem da virtual ausência de perda de pressão, mas só podem ser usados com líquidos condutores de eletricidade. O transmissor de vazão magnético instalado na tubulação entre flanges é composto, basicamente, do tubo cilíndrico, bobinas fixadas no tubo para geração do campo magnético e eletrodos fixados perpendicularmente ao campo.

Princípio: O princípio de medição deste aparelho se baseia na lei de Faraday, isto é, quando um condutor elétrico se move num campo magnético cortando as linhas de campo forma-se uma F.E.M (Força Eletro Motriz) no condutor proporcional a velocidade do condutor.

A F.E.M. induzida (U) no líquido segundo a lei de Faraday pode ser expressa pela equação: U = K x B x v x D, sendo K a constante do instrumento, B a intensidade do campo magnético, v a velocidade média do fluxo e D a distância entre os eletrodos.

A tensão U induzida neste meio é diretamente proporcional à velocidade média do fluxo v. A indução magnética B (intensidade de campo magnético) e a distância entre os eletrodos D (diâmetro nominal do tubo) são constantes. Então a F.E.M induzida é função da velocidade do liquido que é proporcional a vazão volumétrica de saída.

Spitzer: “Os magnéticos, geralmente, são muito usados na área de saneamento. Esses medidores não têm peças que movem - particularmente eu prefiro medidores que apresentam partes móveis - o que proporciona uma manutenção mais fácil. Possui um preço relativamente barato: no meu país (EUA) você pode comprar um medidor magnético por um pouco mais de US$ 1.000. “

medidor de vazão Coriolis Rotamas Yokogawa

Mássicos por Efeito Coriolis - este instrumento é indicado para controles precisos de processo e bateladas. Consegue medir a maioria dos fluidos, multifásicos, líquidos com alta viscosidade, líquidos com uma certa quantidade de gás, além de gases. Os limites ficam por conta da faixa de temperatura (-50 a 200º C) e perda de carga.

Princípio: O funcionamento físico desse medidor é através do Efeito, ou Força, Coriolis. O fluído quando passa através do medidor possui uma velocidade angular gerada pela excitação dos tubos de medição através de uma bobina de excitação. Essa velocidade angular acelera o fluido aumentando sua velocidade periférica e a força gerada por esse aumento de velocidade periférica é chamada Força Coriolis. Os tubos de medição são deformados por essa força, e essa deformação é captada por sensores. Dessa forma, a diferença dos ângulos de fase gerada nos tubos quando o fluído escoa é proporcional a quantidade de massa que passa pelos tubos.

Spitzer: “A indústria química e alimentícia americana está usando cada vez mais este medidor. Antes o Coriolis apresentava dois tubos curvados, depois passou a ter um tubo reto o que facilitou bastante a montagem e instalação na planta.”

MEDIDOR VORTEX - Estes medidores exploram o fenômeno conhecido como Kamann Vortex e são utilizados na medição de vazão de líquidos de baixa viscosidade, gases e vapor (saturado e superaquecido). Os medidores Vortex se caracterizam pela ausência de partes móveis em contato com o fluido, baixa perda de carga e boa exatidão.

Princípio: Seu funcionamento é baseado na medição de velocidade do fluído a partir da quantidade de vórtices formados quando o líquido passa por um pequeno objeto estático que cruza o interior do tubo. Um sensor localizado após este objeto (que pode ser piezoelétrico ou ultra-sônico) monitora continuamente os vórtices gerados enviando um sinal que será processado por um circuito eletrônico microprocessado. Uma vez que se conhece a secção transversal do tubo e tendo-se o valor da velocidade, a vazão pode ser determinada.

Spitzer: Os medidores Vortex possuem capacidade para muitas aplicações, pois são flexíveis nas medidas com liquido, gás e vapor. Como os medidores Vortex têm flexibilidade em medidas com liquido, gás e vapor, possuem potencial para muitas aplicações. Contudo, os Vortex são amplamente utilizados em medidas de vazão de vapor, pois podem realizar essas medições a temperaturas elevadas, acima das exigidas em muitas aplicações.”

Medidor Vortex Conaut

Deslocamento Positivo - Há muitos desenhos de medidores DP no mercado: engrenagens ovalóides, helicoidal, disco, paletas, pistão, etc. Alguns desenhos só podem ser utilizados em aplicações com líquidos, enquanto outros estão desenhados para gases. Estes medidores são adequados para fluidos viscosos, ao contrário da maioria. Possuem um preço de aquisição baixo a médio. Porém não são apropriados para pequenas vazões, seu custo de manutenção que pode ser relativamente alto, não toleram partículas em suspensão e bolhas de gás afetam muito a precisão.

Princípio: O medidor DP apanha um volume definido de líquido ou gás e o transporta mediante um movimento rotacional, ou oscilante através do medidor sem (teoricamente) nenhum deslizamento de fluido ao passar pelas engrenagens ou discos. Normalmente, os ímãs embebidos nos rotores geram um número fixo de pulsos para cada revolução das partes móveis. O sinal de pulsos detectados é diretamente proporcional à vazão volumétrica que atravessa o medidor.

Spitzer: “Existem muitos medidores DP no mercado. Estes são muito usados na medição de água e gás para residências e são fabricados aqui no Brasil com um preço sugestivo, mais economicamente viável do que nos Estados Unidos.”

Turbina - Em geral, os medidores de turbina se empregam tanto em líquidos como gases. Atualmente este medidor está sendo bastante utilizado no mercado de gás natural. Possui um preço relativamente baixo, ampla faixa de temperatura e pressões (-200oC a 450 C, até 350 bar) e exatidão normalmente 0,25% a 1% da medida a uma viscosidade específica. Por outro lado, apresentam um alto custo de instalação e manutenção, dependem do perfil do fluxo e são sensíveis a fluídos que podem danificar o medidor.

Princípio: O fluído que atravessa uma turbina faz girar um rotor. A velocidade rotacional do rotor se relaciona com a velocidade do fluido. A rotação é captada por dispositivos de estado sólido (captação de relutância, indutância, capacitivos e de efeito Hall) ou por meio de sensores mecânicos (acionamentos a engrenagens ou magnéticas). Multiplicando a velocidade pela área da seção transversal da turbina obtém-se a vazão volumétrica.

Spitzer: Os medidores Turbina possuem um preço relativamente alto - são utilizados em grandes medições de vazão nas plantas industriais. Tem fabricantes aqui no Brasil também.

Ultra-sônicos - Este instrumento foi desenvolvido para medição de vazão de líquidos limpos em tubulações fechadas sem que ocorra qualquer contato físico entre o medidor e o meio medido. A instalação do aparelho é efetuada de modo fácil e simples, uma vez que dispensa qualquer tipo de serviço na tubulação como seccionamento ou furação. Podem ser utilizados em tubulações de diferentes materiais como aço carbono, ferro fundido, aço inox e vidro, cobrindo diâmetros de até 5.000 mm. São usados em medições de água, produtos químicos agressivos, produtos farmacêuticos, etc. Encontra-se disponível em duas versões: portátil e fixo.

Princípio: A medição é baseada no princípio de tempo de trânsito: dois transdutores que podem ser acoplados na parede externa do tubo emitem e recebem pulsos de ultra-som. O tempo de trajeto destes pulsos é analisado por um circuito eletrônico que efetua o cálculo da vazão instantânea.

Spitzer: “Está crescendo o mercado desse tipo de medidor para gás natural. Em números são poucos ainda, mas seu valor é alto. Para um tubo de 8 a 10 polegadas o medidor pode custar mais de US$ 20.000”.

“medidor de vazão ultra-sônico de 3 canais - Conaut”

Térmico: Os medidores térmicos permitem a medição de vazão mássica, o que é muito útil em gases. A precisão é ao redor de 2% do fundo de escala.

Princípio: Um tipo desses instrumentos mede a vazão pela quantidade de calor necessário para aumentar a temperatura das sondas. Outro tipo mede o diferencial de temperatura causado pela vazão num tubo aquecido.

Spitzer: Estes medidores são usados mais pra gases, especialmente em laboratórios químicos.

Medidores de Nível

A medição e controle de nível de material contido em reservatórios é um dos procedimentos mais comuns em instrumentação industrial. A informação de nível pode ser utilizada para controle de estoque, controle do nível e para garantir a continuidade de fornecimento do material para as etapas posteriores do processo.

Um nível muito elevado pode alterar equilíbrio de uma reação, causar dano a equipamentos ou resultar em vazamento de material de alto custo. Assim como, um nível muito baixo pode ter conseqüências negativas no processo.

Alguns fatores como a composição, viscosidade (líquidos), capacidade de escoamento (sólido) e o ambiente do processo (temperatura, pressão, agitação, entre outros) influenciam significativamente a seleção do método de medição e a localização dos dispositivos sensores.

Segundo o consultor David Spitzer, existem limitações para cada uma dessas tecnologias e a indicação é sempre levar em consideração as informações do campo onde o medidor será utilizado. “Temos alguns empecilhos em medição de nível. O material pode conter espuma, fervura, interface entre dois líquidos ou mais, detritos em suspensão, por tudo isso é necessário fazer um levantamento minucioso do ambiente da medição”, afirma Spitzer.

BÓIA - Este medidor utiliza uma bóia que é colocada em cima do liquido. O sensor tem meios de localizar o objeto, registrando o nível do fluido. Utilizam-se bóias extensas no formato de disco para obter mais precisão.

Spitzer: “Esses medidores têm sido muito utilizados, especialmente, desde que começaram a ser feitos no Brasil e não precisam ser importados. Possuem partes móveis que podem apresentar problemas de manutenção.”

MAGNETORESTRITIVO - Seu funcionamento é baseado no movimento de uma bóia em torno de uma haste. Um circuito eletrônico monitora constantemente e de modo extremamente preciso a posição da bóia através de pulsos que são enviados por um fio condutor localizado no interior desta haste. A posição é convertida em um sinal analógico de 4~20 mA que pode ser interligado a qualquer outro dispositivo externo. Além de não ser afetado por determinadas características do processo como presença de espuma, gases/vapores, mistura de líquidos ou variações de constante dielétrica ou condutividade.

Spitzer: “Essa tecnologia é uma variação dos medidores de nível onde o sensor pode ser totalmente soldado (fechado) sem conter lacres. Isso é uma vantagem importante para projetos onde fluidos podem penetrar nos lacres.“

Iô-iô - O instrumento trabalha com um sistema eletromecânico composto por um pêndulo (metálico ou termoplástico), cabo, motor e um circuito eletrônico. O eixo do motor está preso a um carretel onde o cabo está enrolado, e na ponta deste cabo, encontra-se preso o pêndulo. A descida do pêndulo é gerenciada pelo motor até que toque o produto; neste momento, o motor pára e inicia a puxar o cabo e o pêndulo. O circuito eletrônico mede o comprimento de cabo correspondente à distância do topo até o produto, ou seja, o nível do material.

Spitzer: “Esses instrumentos, geralmente, têm um número considerável de partes móveis que podem criar problemas de manutenção. Alguns modelos permitem que o cabo saia do tanque, o que pode causar emissões de fuga e períodos de manutenção.”

CAPACITIVO - o medidor por capacitância consiste de uma sonda vertical inserida no vaso no qual se deseja monitorar o nível. Este instrumento é utilizado na medição contínua do nível de produtos líquidos ou sólidos armazenados em tanques ou silos de diferentes formatos ou dimensões. O único componente que se encontra em contato com o processo é uma haste, que juntamente com um circuito eletrônico são responsáveis pela medição do nível. Nenhuma parte móvel está presente uma vez que a medição é totalmente baseada na variação de capacitância formada pelo conjunto haste (do instrumento), produto e parede do tanque (ou uma haste auxiliar/referência).

Spitzer: “Esses medidores são largamente utilizados em diversas indústrias, incluindo a indústria química onde seus produtos líquidos são compatíveis com os diversos procedimentos de medida. Através da digitalização dos valores da capacitância, os modelos recentes desse tipo de medidor conseguem melhorar sua calibração e manter sua precisão por mais tempo. “

ULTRA-SÔNICO - os medidores ultra-sônicos são utilizados, geralmente, quando não se quer estabelecer contato físico com a superfície a ser medida. Uma medição de um determinado material poderia contaminar o dispositivo de medição, por exemplo. Essa tecnologia se baseia na medição do tempo requerido por pulsos ultra-sônicos para percorrer a distância desde o sensor até a superfície do líquido e voltar. Um sensor ultra-sônico instalado acima do liquido a ser medido emite um feixe de pulsos ultra-sônicos e recebe os ecos refletidos por sua superfície. A eletrônica inteligente recebe o sinal recebido, selecionando o eco recebido pela superfície do líquido, medindo o tempo entre a emissão e o retorno do eco, e calculando com esse dado a distância da superfície do líquido.

Spitzer: “Esses medidores não fazem contato com o material, mas fazem com os vapores contidos no tanque e isso pode causar um problema. Essa tecnologia é amplamente usada para medir o nível de líquidos e sólidos. A medida efetuada depende da velocidade do ultra-som nos vapores.”

Medidor de
nível ultra-sônico

Radar sem contato - Utiliza os mesmos princípios do medidor ultrassom, mas com energia de alta freqüência do radar. Um circuito eletrônico do medidor emite pulsos em direção ao fluido. Neste instante, o pulso acaba sendo refletido em direção ao topo onde está o circuito. A partir do tempo decorrido entre a emissão e a reflexão deste pulso é possível determinar o nível do produto uma vez que a velocidade de propagação é constante e conhecida.

Spitzer: “A aplicação dessa tecnologia está aumentando devido a redução dos custos que a faz mais competitiva em relação as outras tecnologias. Essa tecnologia é semelhante a dos medidores ultra-sônicos, porém suas medidas não são afetadas pela velocidade de propagação dos pulsos nos vapores contidos no tanque.”

medidor de
nível radar Conaut

HIDROSTÁTICO - Spitzer: “Essa tecnologia de medida é amplamente usada para líquidos em tanques e em outros recipientes. Transmissores de variação de pressão são talvez mais utilizados no Brasil porque são fabricados aqui dispensando importações. “

LASER - Spitzer: “tecnologia relativamente nova no mercado. A medição a laser tem a vantagem de utilizar um estreito raio de energia (raio de luz) e não ser afetada pela natureza da superfície do material.”