Rotâmetro
1. Generalidades e Classificação
A medição de fluxo é extremamente importante para qualquer processo. O fluxo (volumétrico ou gravimético) é a quantidade de fluxo, relativamente ao tempo. A medição de fluxo é feito com o fluido em movimento. Existem 3 tipos de medidores de fluxos: diretos, indiretos e especiais. O rôtametro é um medidor indireto. Estes tipo de medidor utiliza fenômenos relacionados com a quantidade de fluido que passa. O rotâmetro é um tipo particular de medidores de fluxo baseado no principio da área variável.
Os medidores de fluxo são utilizados quer para gases quer para líquidos, e indicam a taxa de fluxo do fluido. Podem também controlar a taxa de fluxo, caso estejam equipados com uma válvula controladora de fluxo.
Os medidores de fluxo de area variável foram inventados no séc. XIX, mas só por volta de 1930 foram introduzidos na indústria.Tornaram-se bastante úteis, dado serem uma alternativa de baixo custo aos medidores de fluxo baseados em diferença de pressão, especialmente no caso de as condutas serem pequenas.
Os primeiros modelos de medidores de fluxo de área variável indicavam apenas o fluxo, tendo com o decorrer dos anos adquirido outras funções secundárias como a de transmissão, alarme e até controle. Atualmente existem medidores com uma vasta gama de tamanhos, de valores de pressão, de valores de exatidão e outras características.
O rotâmetro é o mais conhecido medidor de fluxol de área variável. Foi desenvolvido há já vários anos, mas só nos últimos 30 é que se verificou um maior progresso, permitindo que hoje ele possa ter utilização nas mais diversas situações e condições.
O rôtametro é constituído por um tubo cónico, com o diâmetro menor do lado de baixo, dentro do qual existe um flutuador ou bóia. É através da parte menor do tubo que o fluido entra. A bóia pode mover-se livremente na vertical, subindo ou descendo no tubo, conforme aumenta ou diminui o fluxo. O tubo possui uma escala de medida onde podemos ler diretamente o valor do fluxo através da borda de cima da bóia. Convém notar que a bóia terá que ter uma densidade superior à do fluido.
Os rotâmetros são bastante utilizados na índustria química, farmacêutica, petroquímica, alimentar, mecânica. São também bastante comuns em laboratórios e no tratamento de águas.
O fluido - gás ou líquido - desloca-se no rotâmetro da base para o topo, resultando num movimento axial da bóia.
Ao longo do comprimento do tubo existe uma relação entre o diâmetro da bóia e o diâmetro interior do tubo. O diâmetro da bóia é fixo ao contrário do tubo interior do rotâmetro que vai aumentando da base até ao topo.
Se o fluxo é constante, a diferença de pressão sobre a bóia iguala o peso efetivo da bóia e esta “fixa-se”na posição que define o fluxo.
Quando o fluxo de caudal aumenta também a força que atua na bóia, aumenta. Esta força faz com que a bóia suba para uma posição mais acima.
Quando o fluxo diminui a bóia muda de posição para baixo.
O fluxo é uma função da altura da bóia.
Em suma, o principio de funcionamento do rotâmetro baseia-se na força de arrastamento que o fluido exerce sobre a bóia, móvel, dentro de uma secção variável de escoamento. Nestes medidores a variação de pressão é constante. Estes baseiam-se na variação da área de passagem do fluido entre a parede do tubo e a bóia, com a altura (posição) da bóia.
Q = umax (p/4) (Dt^2-Df^2)
ONDE:
Q - caudal volumétrico
umax - velocidade máxima do fluido
Dt – diâmetro do tubo do rotâmetro
Df – diâmetro da bóia
Os materiais que podem ser utilizados para a construção do rotâmetro dependem da natureza do fluido que vai ser medido.Vamos abordar os vários materiais possíveis quer para o tubo medidor, quer para a bóia, pois são para estas peças que o material pode afetar a taxa de fluxo. É de realçar a simplicidade de construção do rotâmetro, bem como o baixo custo das suas peças e materiais para a sua construção.
TUBO MEDIDOR
Este tubo pode ter vários tamanhos possíveis, de acordo com a quantidade de fluxo que se vai medir. O comprimento varia mais ou menos de 3 a 10 polegadas, podendo em certos casos atingir 24 polegadas.
O material mais utilizado para a construcção é o vidro. Este é mais indicado para medir fluxos de ácidos concentrados e gases corrosivos. Os rotâmetros com tubo de vidro podem ser usados para várias gamas de fluxos desde 30-450ml/h até 1,36-13,6m3/h.
Este tipo de rotâmetros resiste melhor a altas pressões quando o seu tamanho é mais reduzido. Aquando da medição de líquidos, os rotâmetros mais pequenos deste tipo podem ser usados com segurança até pressões de 32 bar, e os de maiores dimensões estão limitados a 8 bar. Para gases, as pressões devem ser mais baixas. Neste último caso, existem, no entanto, proteções especiais para o tubo de vidro. Convém que, dada a fragilidade do vidro, sejam tomadas precauções, quer na instalação, quer na utilização destes rotâmetros.
Existem outros materiais que podem ser usados para a construção do rotâmetro, como o aço inoxidável, ou outros materiais não magnéticos, como o teflon ou PVC. Os tubos podem ainda ser feitos de acrilíco, policarbonato ou de metal.
Quando o fluido a medir é opaco ou as condições de operação são mais extremas é preferível utilizar um rotâmetro de tubo metálico.
Estes rotâmetros podem ser usados para pressões superiores a 2000 bar, temperaturas superiores a 300ºC e com uma capacidade para fluxos de 410m3/h.
BÓIA
A bóia pode ser fabricada a partir de uma série de materiais, desde que a sua densidade seja superior à do fluido a medir.
Covém também que os materiais permitam uma resitência da bóia à corrosão e ao desgaste.Citam-se o aço inoxidável (o mais usado), vidro, níquel, monel, PVC, teflon, titânio, tântalo, hastelloy-C, etc.
A quantidade de fluxo é dependente do peso, tamanho, e forma da bóia. Existem várias formas possíveis de bóias e devemos escolher a mais indicada para determinado processo de acordo com as seguintes variáveis:
1. Taxa de fluxo
2. Ausência de viscosidade
3. Queda de pressão
4. Baixo custo
5. Durabilidade
Várias formas de bóia.
Uma das formas possíveis de aumentar a taxa de fluxol de um rotâmetro é alterar o material da bóia, e consequentemente, a sua densidade, mantendo o mesmo tubo e o tamanho da bóia. As bóias feitas de material menos denso vão atingir um ponto mais alto no tubo, e por esta razão a taxa de caudal para o mesmo diâmetro do tubo vai ser menor. Bóias feitas de material mais denso não vão atingir posições tão altas no rotâmetro e daí a taxa de fluxo ser maior.
GAMAS DE FLUXOSS
Os fatores que determinam
a gama de fluxo de um rotâmetro são, entre outros, o peso e a forma da bóia.
Num rotâmetro as gamas de fluxo vão desde 0,04 l/h a 150 m3/h para a água
e 0,5 l/h a 3.000 m3/h para o ar. A proporção entre o valor mais elevado de
fluxo e o menor valor é de 10:1.
GAMAS DE PRESSÃO
No que diz respeito a valores de pressão, verifica-se que existe uma relação entre esta e o tamanho do tubo. Assim, quanto maior o tubo, menor é a pressão que este consegue suportar. Na tabela seguinte encontram-se valores máximos da pressão para vários tamanhos de rotâmetros de tubo de vidro.
Tab. Valores máximos de pressão para vários tamanhos do tubo do rotâmetro.
GAMAS DE TEMPERATURA
A temperatura mínima de operação dos rotâmetros é limitada pela formação de “geada” na superficíe exterior. Esta vai provocar uma perda da visibilidade da bóia nos rotâmetros de tubo de vidro, e uma perda do movimento do flutuador magnético nos rotâmetros de tubo metálico.
Os valores
mais baixos de temperatura a que é possivel operar com o rotâmetro situam-se
entre-4ºF (-20ºC) e 32ºF (0ºC), sendo os valores mais altos de temperatura
situados entre 250ºF-350ºF (121ºC-177ºC) para rotâmetros de tubo de vidro
e entre 350ºF-500ºF (177ºC-260ºC) para rotâmetros de tubo metálico.
Existem rotâmetros com resistência para operar em condições mais extremas, nomeadamente para temperaturas superiores a 400ºC(752ºF) e para valores de pressões superiores a 40bar(580psig).
As características estáticas definem um determinado medidor e têm a particularidade do sinal de entrada, I (input), não variar com o tempo.
Os rotâmetros têm a sua exactidão e repetibilidade tabelada em valores de percentagens de fsd (full scale deflection).
Relembrando suncintamente os conceitos, sabemos que a exactidão representa a concordância entre o valor obtido experimentalmente e o valor verdadeiro. A percentagem de fsd é a relação entre o erro absoluto máximo e a banda de entrada. A repetibilidade representa a proximidade dos valores obtidos para um dado grupo de medições do mesmo sinal de entrada, quando se utilizam as mesmas condições de operação e equipamentos. Assim temos para a generalidade dos rotâmetros os seguintes valores:
Exatidão: acima de ±1% de fsd
Repetibilidade: acima
de ± 0,25% de fsd
Os valores
da exatidão são função do comprimento da escala e do material do tubo. Um
rotâmetro de tubo de vidro tem sempre uma maior exactidão do que um rotâmetro
de tubo de plástico. Como sabemos, existem vários tamanhos possíveis
para a escala do rotâmetro. Quanto maior for a escala, normalmente são mais
as suas divisões, permitindo assim uma leitura mais exata e mais fácil.
LINEARIDADE
Sabemos que o fluxo é função da altura do fluido no rotâmetro. A curva do fluxo versus altura é praticamente linear. Há, no entanto, que ter cuidado, pois quando a bóia se aproxima do extremo, quer superior, quer inferior do rotâmetro a relação de Q com h deixa de ser linear, com um desvio de aproximadamente 5%. Estes desvios devem-se aos efeitos de entrada e de saída, em que há perdas de energia por causa da não existência de continuidade da conduta nestas zonas.
Assim, para evitar estas imprecisões, devemos escolher o rotâmetro adequado à quantidade de fluxo que pretendemos medir: para fluxos maiores, deve-se usar um rotâmetro maior, e para fluxos menores o rotâmetro deve ser menor. Evita-se assim, que a bóia esteja num dos extremos do rotâmetro.
Os rotâmetros além da sua função principal de medição de fluido podem ainda ser indicadores, transmissores e controladores.
Quando são indicadores à distância ou controladores, a bóia pode ter ou não um íman em sua extensão, cujo movimento varia a indutância de uma bobina, ou ser acoplado com um sistema pneumático. O sinal da bobina ou do sistema pneumático é ampliado e acciona o controle ou indicador de um instrumento colocado à distância. O rotâmetro pode ter também uma função de controle de fluxo se for equipado com uma válvula controloadora deste.
Os rotâmetros podem também combinar-se com interruptores ou com outro tipo de instrumentação eletrônica, ou dispositivos de outra natureza, conforme o fim a que se destinam, conduzindo a uma variedade de aplicações possíveis.
A maioria dos rotâmetros possuem uma escala que pode ou não ser lida diretamente. Como as leituras do rotâmetro são afetadas pela densidade do fluido é necessário fazer as correções necessárias aquando da mudança da densidade deste.Também é preciso fazer correções quando alteramos a pressão, a temperatura ou a gravidade especifica de um gás. Estas correções podem ser calculadas através do uso de várias fórmulas. Existem de fato, várias fórmulas disponíveis para calcular o fluxo de um fluido através de um rotâmetro que não está calibrado. Estas equações geram fatores de correção que correlacionam fluxos de outros fluidos a uma calibração já conhecida.
São algumas as industrias que levam a cabo extensas experiências de modo a determinar a exatidão destas fórmulas matemáticas. Os melhores resultados obtidos estimam fluxos com ± 5% de exatidão.
Se se desejar uma melhor exatidão convém calibrar o rotâmetro com o atual fluido às condições de pressão e temperatura em causa.
Estas industrias podem ainda calibrar os rotâmetros para diferentes gases e/ou condições através de técnicas especializadas para o efeito, e a um custo reduzido. Para tal só é necessário especificar o gás, a temperatura e pressão de operação, bem como a quantidade de fluxo a que se destina e o modelo do rotâmetro.
Ao longo dos anos foi construída uma extensa “biblioteca” de tabelas de correlação de fluxos, bem como curvas para dezenas de gases a numerosas condições de operação. Ao encomendar-se um rotâmetro podemos também encomendar estas tabelas.
Convém ter em atenção que nos rotâmetros calibrados nas condições padrão e com uma válvula na entrada, as leituras no tubo estão corretas desde que se assegure que a pressão à saída é semelhante à pressão atmosférica. Quando a válvula está à saída, as leituras são corretas se a pressão do gás no interior é igual à pressão para a qual o tubo foi calibrado.
Existem vários modelos de rotâmetros que diferem entre si pelas suas características adaptadas a um vasto e distinto conjunto de condições de operação. O rotâmetro deve ser escolhido tendo em conta as especificações do cliente. Existem uma série de fatores que vão influenciar a seleção de um determinado rotâmetro, dos quais se destacam os mais importantes:
1. Taxa de fluxo - tenho que escolher o comprimento do tubo do rotâmetro de acordo com a quantidade de fluxo que pretendo medir.
2. Exatidão/repetibilidade - devemos ter em atenção os valores de exatidão e repetibilidade adequados ao objetivo a que se destina o rotâmetro.
3. Não corrosivo - O rotâmetro selecionado deve ser minimamente resistente a um fluido mais corrosivo.
4. As perdas de pressão devem ser mínimas - se tal não acontecer a eficiência da medição é bastante mais reduzida.
5. Preço - este é o parâmetro que mais pesa no processo de seleção de um rotâmetro. O ideal seria encontrar a relação ótima entre qualidade e preço, mas muitas das vezes nem sempre tal é possível. Um rotâmetro que satisfaça todos os fatores acima mencionados pode ser recusado se o seu preço for elevado
INSTALAÇÃO
O rotâmetro é montado na posição vertical, pois a inclinação vai provocar uma reação do peso efetivo da bóia, introduzindo assim alguns erros. Se o ângulo de inclinação for bastante reduzido os erros não serão significativos. Convem seguir algumas das seguintes instruções:
A maioria dos rotâmetros pode ser suportada pela conduta, no entanto, alguns rotâmetros de metal como são mais pesados devem ser suportados diretamente ou mais próximo possível da conexão da conduta.
Na montagem dos rotâmetros devemos ter em atenção que estes não podem ser usados como meio de fixação da tubulação ou conduta. Se tal acontecer podem haver danos nos tubos de vidros do rotâmetro devido ao esforço efetuado.
Convém instalar sempre junto do rotâmetro um dispositivo de segurança de modo a assegurar que a pressão não exceda os valores que este consegue suportar.
MANUTENÇÃO
O rotâmetro requer poucos cuidados de manutenção dado que é um instrumento que oferece bastante segurança. No entanto há que ter em atenção certos detealhes. Possíveis depósitos na bóia ou no tubo podem ser facilmente identificáveis em rotâmetros de tubo de vidro. Nos rotâmetros de tubo metálico estes detritos podem ser identificados através de um visor de vidro. Estes, são depois facilmente removidos usando um jato de um líquido de limpeza adequado.
O rotâmetro deve ser periodicamente removido da conduta, desmontado, limpo e examinado para ver se existem vestígios de corrosão ou de desgaste. Deve-se também verificar o peso da bóia de forma a ver se este foi reduzido devido à ação abrasiva do fluido.
Resumo das Vantagens e Desvantagens
Vantagens
Desvantagens
Atualizado em 28-nov-00.
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