Princípio de medição termal de vazão

Como uma classe distinta de medidores de vazão, os equipamentos termais de massa podem ser divididos em dois tipos principais:

O princípio da “dispersão térmica” (também conhecido como anemométrico) (Fig. 1):
um elemento aquecido é exposto à vazão. A velocidade de resfriamento é uma medida da velocidade da massa específica local e, portanto, da vazão.

O princípio “calorimétrico” (Fig. 2):
o calor é aplicado a uma área limitada na vazão. O aumento da temperatura local e a energia adicionada são usados para calcular a vazão mássica.

Ambos os tipos estão disponíveis no mercado. A alta sensibilidade de alguns designs levou ao seu uso extensivo em aplicações de pesquisa. Essa sensibilidade também significa que o valor medido pode ser afetado pelas propriedades do fluido, como a condutividade térmica e a capacidade específica de calor, ou pela composição do gás (no caso de misturas) e pelas condições de instalação.

O princípio termal é amplamente utilizado em diversas aplicações devido a sua capacidade de medição precisa da vazão mássica.

Os medidores de vazão do tipo dispersão térmica podem operar de acordo com um dos seguintes métodos: 1) potência constante e 2) diferencial de temperatura constante.

Usando o método de potência constante, os componentes eletrônicos mantêm uma corrente elétrica constante através do chamado “sensor de velocidade” (um elemento sensor aquecido, geralmente na forma de um detector de temperatura por resistência (RTD)). Usando um RTD separado, a temperatura do fluido é medida. Com as mudanças na taxa de vazão, o diferencial de temperatura (diferença nas temperaturas medidas entre o sensor de velocidade e o sensor de temperatura do fluido) muda.

Com o método de diferencial de temperatura constante, os componentes eletrônicos mantêm uma diferença de temperatura constante entre o sensor de velocidade e o sensor de temperatura do fluido. À medida que a vazão muda, a potência fornecida ao sensor de velocidade aquecido deve ser ajustada para manter a diferença de temperatura constante. Independentemente do método usado, as alterações medidas (seja na potência fornecida ou no diferencial de temperatura) são diretamente proporcionais às alterações na vazão. Para ambos os designs, a relação entre a taxa de vazão e a transferência de calor do sensor de velocidade é descrita pela equação de King (ou uma derivação dela):

A forma dessa equação mostra a sensibilidade às propriedades do fluido e a importância do segundo termo à medida que a taxa de vazão aumenta. A equação não é linear, mas felizmente a linearização é fácil de ser aplicada por meio de técnicas de processamento de sinais digitais. Alguns designs usam um único fio aquecido (os anemômetros são o tipo clássico aqui), enquanto outros usam dois termistores no modo de referência e detecção. A Figura 1 mostra as pontas de uma sonda térmica desse tipo. O fluido flui sobre o sensor de fluido (a) (o elemento não aquecido) e o sensor de velocidade (b) (o elemento aquecido) para medir a taxa de fluxo de calor.

A Figura 2 ilustra o princípio de medição “calorimétrico”, encontrado em diversos designs comerciais de medidores de vazão termais. O calor é gerado dentro do medidor de vazão e aplicado à vazão. Dois elementos de detecção são posicionados na vazão para medir a variação de temperatura entre diferentes pontos. Às vezes, dois aquecedores e três sensores de temperatura são empregados para fornecer uma imagem mais completa do perfil térmico. Quando não há vazão, todos os sensores de temperatura indicam a mesma temperatura.

Quando ocorre a vazão, os sensores são aquecidos ou resfriados relativamente uns aos outros e aparece uma diferença de temperatura ∆T, que está diretamente relacionada à vazão. Esses tipos de medidores são caracterizados pela equação:

A aplicação de calor (H) em vazão zero cria um perfil térmico não distorcido (a), que se move para a direita em condições de fluxo (b).

A equação acima é menos dependente das propriedades do fluido, embora a constante “A” englobe a condutividade e a viscosidade.

Para ambos os métodos de medição (“dispersão térmica” e “calorimétrico”), foram desenvolvidos modelos com sensores de ponto único ou múltiplos pontos, tanto em linhas do tipo passagem plena quanto bypass. Isso permite que uma enorme faixa de vazão seja coberta, desde a baixa vazão de gases limpos em uso médico até grandes volumes de gás de combustão em chaminés de descarga.

Comercialmente, os dois princípios descritos anteriormente são aplicados aos sensores instalados na linha principal e àqueles instalados no circuito de bypass. Há uma considerável sobreposição entre os dois princípios operacionais e os dois designs comerciais básicos, especialmente quando a vazão e as dimensões do tubo são consideradas. Outros fatores que podem influenciar a escolha do design final dependem fundamentalmente da aplicação e da natureza do fluido que está sendo medido.

O tipo mais simples de medidor de dispersão térmica é o anemômetro de fio quente. O sensor de velocidade é um fio fino feito de tungstênio, platina ou níquel. Tanto os tipos de potência constante quanto os de diferencial de temperatura constante são encontrados comercialmente. O fio tem 0,02 mm de diâmetro (normalmente) e é instalado entre suportes. O tamanho pequeno significa um distúrbio mínimo na vazão, de modo que a sensibilidade e o desempenho são mantidos. Os sensores podem ser únicos ou múltiplos em qualquer orientação (Fig. 3). Os designs mais complexos são usados com frequência em aplicações de pesquisa.

Os medidores tipo bypass (ou CTMF = Capillary Thermal Mass Flowmeters, medidores termais de vazão mássica capilares, como são conhecidos) são, na verdade, um subtipo do ramo calorimétrico dos medidores de vazão. Muitas vezes, em conjunto com o bypass capilar, eles empregam um elemento de vazão laminar. O tubo capilar é conectado à entrada e à saída do elemento de vazão mássica termal laminar, de modo que uma pequena quantidade do fluxo principal é desviada e amostrada (Fig. 4). O design garante uma proporção fixa da vazão total de gás através do capilar para medição. O aquecedor e os sensores de temperatura geralmente são colocados no tubo capilar em vez de no tubo principal. No entanto, existem modelos sem o elemento capilar e de vazão laminar, nos quais os sensores estão localizados diretamente no tubo principal. Pode haver um ou dois aquecedores e até três sensores de temperatura dispostos de várias maneiras ao longo do capilar.

Em geral, o medidor CTMF é fornecido com conexões de rosca, embora possam ser fornecidas conexões de flange. Esse modelo de medidor é frequentemente combinado com um controlador de medição de vazão mássica a jusante do sensor de detecção. Essa configuração é chamada de controlador de vazão mássica (MFC - mass flow controller). Normalmente, a interface eletrônica está localizada na mesma unidade que o circuito de bypass.

Para tubos maiores, medidores de inserção são comumente usados. Entretanto, alguns modelos podem ser usados para diâmetros de tubulação menores que DN 50/2”. Os sensores são posicionados na extremidade de uma sonda que é inserida no fluxo de gás. A taxa de vazão mássica total é determinada a partir da taxa de vazão pontual medida, da área da seção transversal e da compensação de temperatura para o perfil da vazão.

Geralmente, é incluído algum tipo de proteção física dos sensores. Muitos arranjos de instalação estão disponíveis, incluindo conexões flangeadas, gaxetas, conexões sanitárias e de pureza ultra-alta. A localização dos sensores em relação à seção transversal do tubo é crucial para o desempenho ideal. Se não for possível realizar a instalação recomendada pelo fabricante, será necessário fazer uma correção.

Com certos modelos de medidores de inserção, é possível ajustar a localização do sensor dentro do tubo para obter facilmente a posição ideal de medição. A instalação do medidor do tipo inserção em um tubo existente geralmente é feita por meio de um adaptador soldado à superfície externa do tubo. O medidor de inserção é instalado no tubo através desse adaptador. A conexão do adaptador deve corresponder à da sonda de inserção.

Em algumas aplicações, são empregados múltiplos designs de inserção. Um uso comum é, por exemplo, o monitoramento da chaminé de combustão ou do gás de processo sujo. Alguns designs podem ser muito semelhantes aos tubos de Pitot de múltiplas portas, com sondas térmicas substituindo as portas de pressão. Designs tão robustos exigem retração e limpeza periódicas, mas provaram ser métodos aceitáveis para essas aplicações difíceis.

Os medidores termais de vazão mássica inline (ITMF - Inline thermal mass flowmeters) são compostos por três elementos: o corpo, o elemento de detecção e os componentes eletrônicos, que podem estar distantes do sensor primário. Como na maioria dos instrumentos modernos, o condicionamento de sinal permite muitas saídas de vazão e funções de alarme em qualquer formato desejado. O corpo está disponível com uma ampla variedade de conexões de processo para se adequar à aplicação (ANSI, DIN, rosca NPT ou higiênica). A Figura 5 mostra o arranjo esquemático de um medidor inline e de um medidor de inserção.

Como classe, os medidores termais de massa têm boas características genéricas, com vantagens e desvantagens. Pode-se dizer que uma faixa de desempenho geral para esses equipamentos se estende de ±1% da leitura a ±3% da leitura, ±0,3% do valor de fundo de escala. Os turndowns típicos são de 100:1 ou mais. A repetibilidade está geralmente em torno de ±0,5% da leitura ou melhor. Estão disponíveis modelos para vazões de 2 a 10.000 kg/h (4,4 a 22.000 lb/h) e superiores.