Tudo sobre o medidor de vazão Coriolis

Medidor de vazão Coriolis

Este dispositivo versátil pode medir a vazão de massa, vazão volumétrica, densidade, viscosidade e até a temperatura do processo. Mas, como tudo isso é possível em apenas um simples medidor?

Tabela de conteúdo:

• O efeito Coriolis
• O exemplo mais padrão do mundo sobre o efeito Coriolis
• Efeito Coriolis e sua matemática
• Medição de vazão de massa com o medidor Coriolis
• Prós e contras de um medidor de vazão Coriolis
• Medição de densidade com medidor de vazão Coriolis
• Medição de viscosidade com medidor mássico
• Aplicação do medidor de vazão Coriolis
• Instalação do medidor de vazão Coriolis
• Conclusão

O efeito Coriolis

Como sempre, nós vamos explicar a física e a matemática que estão por trás do princípio de medição, nesse caso, o efeito Coriolis. Se você realmente não curte esse tópico, sinta-se à vontade para pular para a próxima parte, na qual falamos sobre o instrumento.

Para o restante da galera, a partir de agora, nós vamos visitar a época da escola. Prontos?

Com certeza você deve ter ouvido falar sobre o efeito Coriolis no ensino médio. Olha só. Quem diria que este efeito teria relevância na automação de processos. Normalmente, os professores explicam o efeito Coriolis na circulação atmosférica nas aulas de geografia.

Não lembra? De boa, deixa eu relembrar isso.

O efeito Coriolis tem o nome de um cientista, o francês Gaspard-Gustave de Coriolis. Outros cientistas descobriram esse conceito antes de Gaspard. Porém, ele foi o responsável por escrever a primeira expressão matemática em um artigo sobre rodas d’água, que foi publicado em 1835.

Bom, você lembra das leis de movimento de Newton, certo? Ok, deixa eu resumir isso.

A primeira lei do movimento, também conhecida como a lei da inércia, afirma que um objeto permanecerá no mesmo estado – descanso ou movimento – uniformemente em linha reta, se nenhuma força externa o afetar, tá ligado?  Lembre-se: em linha reta.

Então, mas esta lei se aplica apenas a um referencial inercial. E se tivermos um quadro rotativo?

Agora vem o efeito Coriolis. Vamos dar uma olhada em um exemplo.

O exemplo mais padrão sobre o efeito Coriolis do mundo.

Vamos dizer que você está jogando com um amigo em um carrossel. Um está jogando a bola para o outro, sendo que seu amigo está no meio e você no limite externo. Para que esse exemplo faça sentido, vamos dizer que não tem vento no momento, o que significa que nenhuma força externa interfere no caminho da bola.

O carrossel ainda está parado e seu amigo joga a bola para você. Sem a interferência do vento, a bola vai do centro do carrossel para você em linha reta.

Agora, outro amigo que gosta de perturbar os jogos das pessoas vem por aí. Padrão. De qualquer forma, esse amigo chato gira o carrossel. Dessa vez, quando seu amigo jogar a bola para você, ela continuará em linha reta em um referencial inercial. No entanto, na sua perspectiva, agora uma perspectiva rotativa, a bola faz uma curva.

E adivinha o que cria essa curva? Sim, acertou. O efeito Coriolis

No exemplo, a “força” de Coriolis descreve uma questão de percepção. A bola continua em linha reta, mas você a vê fazendo uma curva porque está se movendo. Como não há força real que afete a bola, muitas pessoas agora chamam isso de efeito Coriolis ao invés de força.

Mas, para fins matemáticos, ainda dizemos a força de Coriolis para a força inercial ou fictícia.

Efeito Coriolis e sua matemática.

Embora nenhuma força afete a trajetória da bola no carrossel, você e seu amigo – na estrutura giratória – conseguem vê-la fazendo uma curva. Podemos calcular a aceleração que você vê porque a inércia da bola é proporcional a (a) a velocidade da bola na linha reta e (b) a velocidade da rotação do carrossel.

Chamamos isso de aceleração de Coriolis e usamos a seguinte fórmula para revelá-lo:

a_c = 2 * ω * v

• a_c = aceleração de Coriolis
• ω = velocidade de rotação (Carrossel)
• v = velocidade perpendicular ao eixo de rotação (bola em linha reta)

Se voltarmos a segunda lei do movimento de Newton, nós podemos encontrar uma relação entre força e aceleração:

F = m * a

• F = força
• m = massa
• a = aceleração

Então, quando multiplicamos ambos os lados pela massa do objeto, em nosso exemplo, a bola, e substituímos a aceleração pela fórmula de Coriolis, nós podemos encontrar a força de Coriolis com a seguinte fórmula:

F_c  = m * 2 * ω * v

Para encerrar, a força de Coriolis é proporcional à velocidade angular, velocidade de rotação e massa. E é por isso que você pode usar um medidor de vazão Coriolis como um medidor de vazão de massa.

Finalmente conseguimos falar sobre medidores de vazão!

Medição de vazão de massa como medidor Coriolis.

Agora que sabemos tudo sobre o efeito ou força de Coriolis, finalmente nós veremos como o utilizamos para medir a vazão! Por uma questão explicativa, usaremos o medidor de vazão padrão Coriolis de tubo duplo. Mais tarde podemos entrar nas outras variações.

No tubo de medição de um medidor de vazão Coriolis, você tem uma bobina de transmissão que faz o tubo vibrar na sua frequência natural. Ele tem captadores (pick-offs) de entrada e saída nas duas extremidades. Essas pick-offs medem o movimento do tubo e a frequência com que ele vibra.

Para entender como medir a vazão com esses sinais medidos, consideramos duas situações: sem vazão e com vazão.

Sem vazão ou tubo vazio

Imagine que você teve que parar seu processo e não temos mais vazão através do tubo de medição. Mesmo sem vazão, a bobina de acionamento do medidor continua a fazer o tubo vibrar.

Então, as pick-offs criam as ondas de sinal da vibração. Elas geram o movimento de um tubo em relação ao outro, como mostrado nesta figura:

Neste caso, as pick-offs geram sinais em fase, o que significa que eles estão em movimento sincronizado. Isso indica que não há vazão passando no medidor.

Com vazão no tubo de medição

Com o processo em funcionamento, o produto flui pelo tubo. O fluxo, neste caso, cria o efeito Coriolis, que causa uma pequena reviravolta de uma diferença de tempo entre as captações de entrada e saída.

Agora, se analisarmos os sinais, podemos ver que as ondas mudaram de fase e não estão mais sincronizadas. Com este pequeno atraso entre elas, nós podemos calcular a taxa de vazão de massa.

A taxa é diretamente proporcional ao tempo de atraso. Você também precisará de uma medição de temperatura para calcular o fator de compensação.

Como nota lateral, a frequência do tubo pode influenciar diretamente a medição. Eu desenterrei um manual técnico e descobri que encontramos a faixa de vibração em um tubo em torno de 50 a 150 Hertz.

Se o seu medidor de vazão Coriolis funcionar na mesma faixa, você precisará de algum tipo de inibidor de vibração para evitar problemas. No entanto, alguns tubos de medição funcionam em altas frequências como, por exemplo, 600 a 1000 Hertz.

Por que temos tubos em formato diferente no medidor de vazão mássico?

Como mencionado anteriormente, você encontrará variações nos formatos dos tubos do medidor de vazão Coriolis. Eles podem ser retos, com laços ou curvados. Para cada opção, você receberá informações dos fornecedores sobre como esse estilo pode melhorar sua aplicação.

Dependendo do formato da sua escolha, você pode precisar de espaço extra para instalar o medidor. Mas, às vezes, medidores compactos trarão perdas de pressão maiores se comparados a formatos maiores.

Isso significa que você precisará – Diga comigo agora:  Dimensionar o medidor corretamente para encontrar o melhor para você.

Você também encontrará medidores de tubo único no mercado. Este estilo é mais fácil de limpar, tem menor perda de pressão e não dividirá o fluido no interior. No entanto, geralmente, ele tem uma precisão e repetibilidade menor do que os tubos duplos.

Prós e contras de um medidor de vazão Coriolis

Vantagens

• Fácil de implementar na medição de vazão de gás e fluido
• Trecho reto na entrada e na saída
• Pode medir a vazão de massa e volumétrica, densidade e temperatura
• Suporta medição independente da viscosidade e densidade do fluido
• Mede a vazão de massa diretamente

Desvantagens

• Custa mais do que a maioria das outras opções
• Tem uma faixa de temperatura limitada
• Tem aplicações limitadas em fluidos multifásicos

Medição de densidade com medidor de vazão Coriolis

Um medidor de vazão Coriolis pode medir não apenas a vazão, mas também a densidade.

Alguns deles até medem a viscosidade! Assim como usamos o atraso de tempo para medir o fluxo de massa, nós podemos usar outro aspecto de um sinal para calcular a densidade de um fluido que passa através de um tubo.

Você consegue adivinhar qual? Não?

Como de costume, usaremos uma analogia para facilitar a visualização. Imagine que você tenha dois baldes idênticos, um cheio de água e outro com uma quantidade igual de mercúrio. Agora pendure cada um em uma mola de aço.

Você pode dizer – apenas observando o movimento das molas – qual balde tem água e qual tem mercúrio? Dê uma olhada na imagem abaixo e tente adivinhar novamente qual aspecto do sinal está relacionado à densidade.

Se você disse que é possível saber a densidade pela frequência, você tá top. A bobina de acionamento no medidor de vazão Coriolis faz com que o tubo de medição se mova na sua frequência natural, certo?

Então, quando você altera a densidade do fluido, a frequência de ressonância do tubo também muda. Uma densidade maior irá reduzi-lo e uma menor aumentará.

Durante o processo de calibração de um medidor de vazão Coriolis, os desenvolvedores usam diferentes fluidos para aumentar a precisão de seus dispositivos. Por exemplo, tanto o PROMASS, da Endress + Hauser, quanto o Micro Motion Elite, da Emerson, têm uma precisão de + -0,0005 gramas por metro cúbico.

Você lembra que eu mencionei que um medidor de vazão Coriolis pode medir a temperatura? Sim, isso também tem a ver com densidade. Se você alterar a temperatura de um líquido, a sua densidade também mudará.

Assim, um medidor de vazão Coriolis pode medir a temperatura do fluido e compensar isso. Ele também pode calcular valores de densidade específicos, como Brix, Platão, Baumé e API.

Medição de viscosidade com medidor mássico.

Sim e não. Tipo o Chaves respondendo uma pergunta, saca?

Até então a medição de viscosidade no medidor Coriolis é patenteada. Este conteúdo não é uma propaganda, mas a título de informação, eu citarei a empresa. A Endress + Hauser, por exemplo, patenteou a tecnologia para fazê-lo no PROMASS I.

Eles chamam essa tecnologia de sistema Torsion Mode Balanced (TMB).

A mágica acontece ao usar a ação torcional. O meio do tubo tem uma massa contra-oscilante.

Este movimento exerce uma força de cisalhamento no produto que está fluido através do tubo. A viscosidade dele altera a oscilação. O medidor lê essa alteração, calcula e converte em números que podemos ler, claro.

Vale lembrar que outras tecnologias no mercado podem medir a viscosidade também. Mas, aqui você tem um dispositivo para medir isso junto com a vazão, densidade e temperatura. Todo mundo gosta de um dispositivo multi-uso.

Aplicação do medidor de vazão Coriolis.

Um medidor de vazão Coriolis pode medir a densidade de líquidos, mas não de gases. Se você precisa de densidade de gás, então você pode usar uma tecnologia chamada MEMS Coriolis (Micro-Electro-Mechanical System).

Caso queira usar o medidor Coriolis para medir apenas a densidade, não é necessário instalá-lo diretamente na linha de produção. Você pode economizar algum dinheiro instalando um pequeno medidor Coriolis em um by-pass.

Como a densidade, a medição da viscosidade pode indicar a qualidade do processo e ajudar a melhorar o desempenho do mesmo. Se você instalar o medidor de vazão Coriolis diretamente na linha, você poderá mensurar a vazão, a densidade, a temperatura e talvez até viscosidade de uma só vez.

Se você quiser medir apenas a viscosidade, então você pode usar o truque do by-pass. Dimensione corretamente o seu medidor e tudo ficará bem. Um dia posso ensinar isso também.

Instalação do medidor de vazão Coriolis

Galera, eu fiz uma lista com algumas dicas de instalação do medidor Coriolis

• Os medidores Coriolis podem ser instalados basicamente em qualquer lugar, mas se você decidir instalá-lo horizontalmente, certifique-se de que o tubo não seja instalado de lado causando desbalanceamento.
• Para evitar erros de acúmulo de bolhas no tubo de medição, você deve evitar instalar o Coriolis no ponto mais alto do duto ou diretamente em uma saída livre em um tubo.
• Ao contrário dos outros, os medidores Coriolis geralmente não possuem um trecho reto mínimo na entrada e saída.  Este é um ponto positivo.
• Agora, se você tiver fluido que possa conter sólidos retidos, evite instalar o medidor horizontalmente com os tubos voltados para baixo. Essa configuração pode acumular sólidos na parte inferior dos tubos.

Não deixem de conferir o manual técnico dos vendedores. Nesses materiais encontramos (nem sempre) todas informações necessárias.

Conclusão

Ufa! O medidor Coriolis faz muita coisa e pode ser bem complexo dependendo da aplicação. Futuramente, nós podemos nos aprofundar em detalhes de medição do dia a dia. No entanto, já sabemos todas utilizações do medidor.

Forte abraço.

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Fabrício Andrade

Tenho 12 anos de experiência no mundo da Automação industrial, comecei minha carreira na JAT Instrumentação, depois trabalhei na Emerson Automation Solutions e Endress+Hauser. Tive a chance de implementar projetos, ministrar treinamentos e resolver problemas em diversas empresas no Brasil e Latina América. Trabalhei por 3 anos na Alemanha em um e-commerce de automação industrial e hoje sou gerente de marketing digital global na Endress+Hauser Suiça focado em IIoT. Além disso, sou cartunista e baterista nas minhas horas de folga.

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