Medidor Magnético De Vazão De Água Tratada - Tipo Inserção
Por Geraldo P. S. Lamon E Pedro Américo
Edição Nº 47 - fevereiro/março de 2019 - Ano 8
O objetivo nesse artigo é destacar a capacidade de aplicação, facilidade e simplicidade de instalação e custo, pois, com um único medidor de inserção pode-se utilizá-lo para uma infinidade de diâmetros, por exemplo, um medidor com haste de 400 milimetros
O objetivo nesse artigo é destacar a capacidade de aplicação, facilidade e simplicidade de instalação e custo, pois, com um único medidor de inserção pode-se utilizá-lo para uma infinidade de diâmetros, por exemplo, um medidor com haste de 400 milimetros, o mesmo é perfeito para ser utilizado em tubulação a partir de 70 milimetros até aos 400 mm, cobrindo todos os diâmetros dentro dessa faixa. Por outro lado, deve-se salientar e esclarecer que o magnético de inserção pode ser fabricado em qualquer comprimento de haste. Normalmente, existe um determinado padrão de fabricação dos comprimentos das hastes. Pretende-se nesse artigo apresentar suas características, vantagens, cuidados durante sua instalação e montagem, demonstrando também sua versatilidade, robustez e principalmente sua exatidão no processo de medição na prática.
A vazão é considerada uma das variáveis de processo mais importante e consistentemente utilizada na indústria e nas empresas de saneamento. Segundo a história, as primeiras medições de vazão de água foram realizadas pelos egípcios e romanos, cujas obras de adução de água ficaram famosas, evidenciadas pelo engenheiro da época,
Julius Fantinus (40 – 103 d.C).
Por se tratar de uma variável importantíssima, a vazão acaba sendo uma das mais medidas universalmente, porem, infelizmente no Brasil, especialmente, tratando-se do saneamento básico, poucas empresas dispõe de sistemas de medição distribuída e confiável. Todavia, essa cultura passada aos poucos tem se ajustado no procedimento de conduta das empresas, face ao problema do controle hídrico atual e seu gerenciamento. Devido ao status alcançado por essa variável de processo, nos dias atuais, a vazão de água é a variável que dispõe de recursos tecnológicos os mais diversos para sua medição confiável, além de requerer esforços de conhecimentos e técnicas para determinadas aplicações, tanto na indústria quanto no saneamento.
Com relação à seleção de um determinado tipo de medidor de vazão para uma aplicação, desde que a necessidade do usuário seja a medição de vazão volumétrica de líquidos, o medidor de vazão magnético do tipo carretel ou inserção, baseado na lei de Faraday, pode atender aos anseios de uma grande gama de aplicações.
Princípio de medição dos eletromagnéticos
O princípio é novamente estudado e discutido no capítulo do livro "Pitometria e Macro Medição nas Empresas de Saneamento"- lançamento para 2019. Todavia é interessante novamente focarmos no funcionamento dos medidores tipo carretel ou de inserção, pois ambos utilizam o mesmo princípio, qual seja a lei de Faraday. Os fabricantes de um modo geral continuam a desenvolver medidores cada vez mais eficientes tecnologicamente, baseado nesse princípio. O medidor de vazão eletromagnético tipo carretel atende a um gigantesco número de aplicações como, por exemplo, medição de vazão de água, xarope com alta ou baixa concentração, leite, cerveja e derivados, polpa de celulose, polpa de minérios em geral, efluentes industriais, esgoto, lamas, pastas, etc. Já, os magnéticos de inserção têm certas restrições quanto ao tipo industrial do fluido sendo mais indicado para fluidos mais comportados. Para que tanto um quanto ao outro possa ser indicado em uma aplicação, basta que o líquido possua uma condutividade elétrica mínima de pelo menos de 3 a 5 .
O primeiro medidor de vazão eletromagnético carretel foi desenvolvido em 1932 por um cientista Suíço, chamado Thurlemann, padre de origem, porém, professor de matemática. No entanto, a tecnologia tornou-se consolidada no final dos anos 70. Devido ao campo magnético gerado pelas bobinas que estão diametralmente opostas, montadas sobre o carretel, o qual deve ser de material não magnético para não conduzir ou desviar e nem modificar a direção do campo magnético gerado. Por meio de dois eletrodos inseridos internamente em um plano perpendicular ao campo magnético, comportando-se como elo de ligação elétrica através do fluido que desempenha o papel de um fio de uma única espira de transformador, constituindo-se ali um secundário que se movimenta perpendicular ao campo magnético tendo, portanto, os eletrodos como sede de uma força eletromotriz gerada pela espira que na realidade é o fluido que escoa diametralmente entre os eletrodos.
O campo magnético gerado pelas bobinas superior e inferior tanto pode ser produzido por tensão alternada 60 Hz, tensão continua pulsada, ou ainda por meio de imã permanente. A força eletromotriz gerada é da ordem de micro volts, não sendo afetada pela temperatura, pressão, viscosidade, densidade, turbulência, condutividade elétrica, etc.
A determinação da força eletromotriz induzida é regida pela equação; f.e.m = Kg . β . L . V
Onde:
f.e.m = força eletromotriz induzida
Kg = constante geométrica
β = intensidade do campo magnético
L = distância entre os eletrodos
V = velocidade do escoamento
Uma vez que temos Kg, β e L definido, tornam-se constantes, então podemos simplificar a equação de modo a ter;
f.e.m = Kt . V
Observa-se que a tensão induzida é diretamente proporcional à velocidade do escoamento, porém, na equação agora aparece um agente multiplicador "Kt". Este fator é o famoso "fator K" dos medidores eletromagnéticos. Uma vez definido, ele jamais deverá ser modificado. Este fator, "K", é imprescindível para o perfeito e exato funcionamento do medidor e, seu levantamento, obrigatoriamente é realizado de maneira individual pelo fabricante após a fabricação e montagem de cada tubo medidor. A única forma de determiná-lo é submetendo o sensor medidor a uma calibração em bancada de laboratório confiável e certificado metrologicamente.
A principal e melhor qualidade de um medidor, seja ele qual for, é sua repitibilidade. Essa qualidade é uma das características dos medidores magnéticos, seja ele carretel ou de inserção. No entanto, a curva de resposta do medidor após sua fabricação não e perfeita quanto à sua inclinação e linearidade, daí durante sua calibração em laboratório, o fabricante determinará uma nova constante do medidor no teste de laboratório, garantindo-lhe uma nova reta ou curva de calibração que o tornará ideal, aproximando-o com o padrão de referência do laboratório. Esse novo fator podemos chamá-lo de Ka. Como a vazão é igual à velocidade vezes a área do escoamento, segue;
Q = f.e.m x Ka x A ou Q = K x V x Ka x A
Onde Ka é o fator de inclinação da reta de calibração. Como (K, Ka, e A) são constantes podemos novamente afirmar que:
Q = Kt x V
Na figura 3, temos em apresentação, 03 retas hipoteticamente representando as inclinações das retas, coeficiente Ka, uma delas será a que melhor se ajustará o medidor em teste ao padrão de referência. Ka após determinado passará a ser uma constante do medidor. O medidor de vazão eletromagnético é quase perfeito, todavia o tipo carretel tem como uma de suas desvantagens o aumento do custo em detrimento de seu diâmetro, assim como, o custo de sua instalação em grandes diâmetros de rede, tornando-o, às vezes, inviável economicamente para algumas empresas. Considerando esse aspecto, ou seja, a parte econômica do custo do medidor e o custo de sua instalação, a qual pode superar o preço do próprio medidor, fez com que alguns fabricantes de medidor eletromagnéticos partissem para o desenvolvimento com tecnologia de ponta, no design e na estruturação de programas tecnológicos na medição pontual dos magnéticos tipo inserção para fazer frente ao custo dos grandes medidores de adutoras ou rede de grandes diâmetros. O resultado foi tão surpreendente que a empresa como a IsoilLamon está hoje na liderança desse mercado dos medidores eletromagnéticos de inserção que têm grande credibilidade. Infelizmente a tecnologia dos medidores de inserção não atinge o mesmo nível de exatidão do medidor do tipo carretel. Tipicamente, o medidor do tipo carretel apresenta uma classe de exatidão melhor que de 0,25% da leitura e o verdadeiro medidor eletromagnético de inserção apresenta erro na sua classe de exatidão de +/- 2% da leitura e, dependendo do critério de sua instalação pode chegar a erro inferior a +/-1%. Dependendo da aplicação, a utilização de um verdadeiro medidor eletromagnético de inserção pode perfeitamente ser utilizado e, ainda mais, tratando-se das empresas de saneamento onde a aplicação desta tecnologia é totalmente viável e válida para medição, totalização e transmissão do volume escoante e sua totalização.
Princípio de medição do magnético de inserção
Os medidores eletromagnéticos de inserção começaram surgir no mercado de modo mais confiável, na década de 90. Apesar de trabalhar com o mesmo princípio dos medidores tipo carretel, infelizmente a tecnologia do medidor tipo inserção não é tão perfeita comparada com o seu antecessor. Isso se deve ao fato por razões de uma variável denominada perfil de velocidade. Essa é o grande vilão da medição pontual ao qual o medidor pontual de inserção esta sujeito, o que pode ocorrer e incorporar altos erros na medição. O medidor magnético de inserção pode ser considerado um híbrido entre um medidor do tipo carretel e o medidor tipo, tubo de Pitot Cole. Essa afirmativa é procedente e verdadeira em razão deste tipo de tecnologia utilizar dos mesmos conceitos da tecnologia da pitometria. Diferente do medidor tipo carretel, a medição pelo eletromagnético de inserção é pontual, ou seja, a f.e.m induzida é aquela gerada em decorrência da passagem do vetor velocidade do escoamento pelo ponto do sensor magnético localizado na ponta da haste que, possivelmente estará posicionado em algum ponto interno da tubulação. Apesar de possuírem a mesma tecnologia, a medição da vazão desempenhada pelo medidor de inserção deve ser munida de alguns cuidados e informações específicas próprias do ponto de sua instalação.
A partir da equação; Q = f.e.m x K x A.
Simplificando; Q = Vm x A. onde,
Q = vazão
Vm = velocidade média
A = área da tubulação
Em razão da viscosidade do fluido e da rugosidade da tubulação, gera-se atrito entre as paredes do tubo e o fluido causando a formação de um perfil de velocidade conforme ao que se parece como uma bola de futebol americano que cortada em 4 partes iguais onde uma das partes é a representação da figura 6.
Teoricamente, o vetor velocidade de maior módulo se encontra no centro do tubo e, novamente de maneira teórica, a velocidade média esta localizada a 1/8 ou 7/8 do diâmetro do mesmo tubo. Em um levantamento do perfil de velocidade em um trabalho de campo, não encontramos um perfil uniforme como o ilustrado na figura 6, por isso, nem sempre podemos afirmar que o vetor velocidade máxima está exatamente no centro, principalmente nas tubulações mais finas, nem tão pouco dizer que a velocidade máxima encontra-se a 1/8 ou 7/8 do diâmetro. Como a vazão é obtida pela multiplicação da velocidade média pela área e, o medidor de inserção só é capaz de medir apenas a velocidade pontual, há nesse caso a necessidade de ser inserido o primeiro fator de correção, denominado Kp, (para o medidor de inserção), ou seja, fator que irá transformar o vetor velocidade medida em um vetor que corresponda à média de todos os vetores, logo teremos;
Q = A x Vc x Kp onde, Vc x Kp = Vm
Vc = velocidade central
Vm = velocidade média
Kp = fator de correção do perfil (correponde ao FV da pitometria)
Kp na realidade equivale à transformação do perfil parabólico conforme figura 6 num perfil retangular, onde todos os vetores teriam o mesmo módulo.
A partir da correção da velocidade, precisamos corrigir a área do escoamento. Por se tratar de um medidor de inserção, sua área frontal ao escoamento irá impactar na área da tubulação causando no ponto exato de sua inserção uma diminuição da área de passagem, por isso, outro fator imprescindivel dos medidores magnéticos de inserção é a introdução de uma outra nova correção introduzida denominada Ki. Essa correção Ki é semelhante ao (Sef- área corrigida, da pitometria).
Podemos observar através da ilustração da figura 7 que a área da seção de medição é na verdade a área do tubo menos a área da inserção do sensor, logo a equação geral da medição da vazão passa a ser;
Q = f.e.m x A x Ki x Vc x Kp x (K e Ka)
Ki = coeficiente de inserção.
Expandindo a equação acima, podemos observar que um medidor magnético de inserção necessita de no mínimo 04 tipos de constante de correção, qual seja, Ki, Kp, K, Ka.
Q = vazão
A = área
Ki = coef. de inserção
Kp = fator de correção do perfil
K e Ka = constante de calibração determinado pelo fabricante.
f.e.m = força eletromotriz induzida
É importante observar, com énfase, nesse momento, que a constante K e Ka, as quais podemos definir como Kt, uma vez determinada pelos fabricante não deve jamais ser alterada.
A partir de agora que temos conhecimento das constantes minimas para o perfeito e exato funcionamento de um verdadeiro medidor magnético de inserção, vamos definir como obtê-las em um processo de medição no campo.
a)- A constante Kt, (K + Ka), obrigatoriamente deve ser determinada pelo fabricante e logo depois estampada no corpo do sensor e, no conversor deverá constar um campo específico para que ela possa ser digitada ou entrar com esse valor.
b)- A constante Ki é obtita através de uma equação que relaciona o diâmetro do tubo e as dimensões de introdução do sensor. Normalmente os verdadeiros medidores magnéticos de inserção possuem as equações internas já prontas e ao informar o diâmetro interno da tubulação a ser instalado e a posição da inserção do sensor, o Ki é automaticamente calculado.
c)- A constante Kp, apesar de poder ser determinada internamente e de modo automático pelos verdadeiros magnéticos de inserção, levando em consideração um perfil de velocidade ideal, recomenda-se que o mesmo, onde se busca maior exatidão na medição da vazão levantar e calcular o Kp através da pitometria ou ainda, utilizar o próprio medidor de inserção e, em seguida calcular pelos moldes tradicionais o valor do Kp ou FV e, em seguida digitá-lo manualmente. Calcular o Kp é simples;
Kp = Vm/Vc
Exemplo de calculo do Kp;
Uma rede de abastecimento de 500 milímetros onde o sensor será instalado no centro da rede. No levantamento dos 11 pontos configuráveis diametralmente, tanto pela pitometria, que seria mais recomendável ou pelo próprio magnético de inserção, obtem-se os repectivos valores representados pela tabela, abaixo.
Na figura acima, o eixo Y, representa as velocidades e o eixo X representa o ponto de posicionamento do sensor. Então temos;
Vm = V1+V2+V3+ --------- Vn/11
Vc = velocidade central no ponto 6/11
Kp = Vm/Vc
Vc 0,910
Vm = 0,837273, logo Kp = 0,92008.
Obs. Considerando a instalação do sensor a 1/8 ou 7/8, no perfil acima, teoricamente estes seriam os pontos onde teríamos o vetor velocidade média, (Vm) e, consequentemente o Kp, nesse caso particular da instalação, ele, o Kp, automaticamente seria ou deveria ser igual a 1,000. Como nem sempre isso acontece ou é verdadeiro, importante que saibamos o valor da velocidade media para então compararmos com o valor obtido em1/8 ou 7/8 onde determinaríamos a variação percentual do mesmo. Usando o exemplo dado, ao posicionarmos o medidor a 1/8, ou seja, 500/8 = 62,5 mm e, nesse ponto a velocidade média fosse de 0,870, poderíamos afirmar que o vetor velocidade media não se encontraria nessa posição. Caso o técnico decidisse permanecer com o sensor nessa posição e nenhuma correção fosse efetuada, o resultado da medição estaria com um erro de +/-4%. O correto nesse caso seria o técnico inserir um novo Kp de valor 0,904 para compensar essa diferença de 4%.
A figura acima ilustra muito bem, possibilidade de perfis que pode ser encontrado na prática de uma medição pontual de vazão no campo. Esse tipo de perfil é o que mais existe numa situação real de campo, quando a rede for antiga e incrustada.
Conclusões e recomendações
Um verdadeiro medidor magnético de inserção deve possuir, obrigatoriamente, um conversor dedicado ao sensor e ter como premissa, a possibilidade de inserir em sua programação, o diâmetro real medido da tubulação, posição da inserção do sensor e, ainda mediante essas informações o conversor ter condições de calcular automaticamente o fator de correção da inserção. O conversor deve possuir ainda o campo para inserir a correção do perfil de velocidade, além do campo para informar a constante "Kt" do sensor, determinada pelo fabricante.
Assim como nos medidores tipo carretel, é desejável que o mesmo possua detecção de tubo vazio, diagnóstico automático do conjunto sensor-conversor, dentre outras característica e particularidades.
Procuramos nesse trabalho, elucidar os pontos mais importantes e polêmicos para o perfeito funcionamento e com exatidão de um verdadeiro medidor magnético de inserção. Aqueles medidores, que não se comportam ou que não possuem no mínimo, as correções apresentadas aqui, não poderão ser jamais classificados como medidores de vazão magnéticos de inserção. Tais equipamentos fora desse contexto deveriam ser classificados, na instrumentação como chave de fluxo, (pseudo medidor).
Existem fornecedores que estão no mercado ofertando o que chamamos de chave de fluxo, (pseudo medidor magnético de inserção). Por esta razão, em todos os casos, referidos à medição, os resultados obtidos pelos clientes usuários desses medidores, não estão satisfeitos com os resultados e dessa forma com a tecnologia, vista como imprópria para a medição. Daí, o possível usuário quando depara com a oferta de um medidor magnético de inserção, coloca a tecnologia em descrédito por ter tido experiência mal sucedida anteriormente na utilização dos pseudo medidor magnético de inserção.
Apesar de parecer complexa, a instalação de um verdadeiro medidor magnético de inserção é extremamente simples. É muito importante que antes de se adquirir um medidor, o cliente deve certificar-se que o fornecedor esteja ofertando um medidor que possua as condições mínimas já mencionadas, bem como, um suporte técnico pós venda, apropriado para orientar os técnicos que irão instalar e operar o produto.
Esperamos que, com discussões aqui postadas, possamos contribuir com um pouco mais de conhecimento para técnicos e engenheiros dos diversos setores e áreas das empresas que venham usufruir desta tecnologia, possam refletir e buscar ainda mais informações técnicas a respeito deste assunto que é relativamente novo e que esses mesmos clientes possam tirar suas conclusões quanto à tecnologia a partir de uma utilização consciente do produto.
O fato do mercado comprador, nem sempre possuir o conhecimento necessário para avaliar as opções oferecidas pelos fornecedores que estão no topo da tecnologia e, assim tomar uma decisão consciente no momento da compra, gerou por parte de nosso propósito, preocupação e interesse, disseminar o conhecimento aplicável a este tipo de medidor, de vez que acreditamos piamente que somente através do conhecimento e experiência técnica e prática, elucidaremos as dúvidas a respeito das tecnologias sem, contudo cair no papo de vendedores hábeis na arte de persuasão da venda.
Finalizando, resume-se aqui o seguinte pensamento, "jamais devemos medir por medir e, tão pouco estimar uma medição, uma vez que erros poderão advir e sobressair nessas avaliações ou estimativas, comprometendo e acarretando tomadas de decisões equivocadas podendo e certamente causará prejuízos imensuráveis".
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Referências bibliográficas:
Lamon, G. P. Silva
Pitometria e Macro Medição nas Empresas de Saneamento
2º. Edição – 2004
Dr. Richard Furness – England
Techical Paper – Magnetic Basics
Endress+Hauser Flowtec AG
Flow Handbook, 2nd Edition, 2004
Publicação ISA
Magnetic Flowmeter
Ribeiro, M. Antonio
Medição de Vazão – Princípios e aplicação
5ª. Edição