Selecionando um medidor de vazão mássica para a sua aplicação

Processos industriais e químicos, variando de polimerização a fabricação de cerveja, dependem da entrega de quantidades exatas de líquidos ou gases. As taxas de entrega podem ser medidas em termos de massa ou volume por unidade de tempo, e a escolha entre os dois depende da aplicação. Em muitas situações, a medição da vazão volumétrica é suficiente, especialmente se a temperatura e pressão são conhecidas e estáveis. No entanto, como a medição da vazão mássico indica diretamente a quantidade de moléculas presentes, ele tem a vantagem de ser imune à variação na densidade.

A maioria dos engenheiros está familiarizada com algumas das muitas maneiras de medir a vazão volumétrica. A medição da vazão mássica em geral é menos conhecida e entendida. Este Artigo Técnico da OMEGA Engineering explica como taxas de fluxo mássico podem ser medidas diretamente (ex.: pela perda de calor) e indiretamente (por inferência pela queda de pressão) e destaca características relevantes de alguns medidores de vazão mássica disponíveis comercialmente. As seções individuais abordam:

Os tipos mais amplamente utilizados de medidores são por pressão diferencial, massa térmica e Coriolis.

Medidor de Vazão por Pressão Diferencial
Uma obstrução, como um disco com um orifício de diâmetro conhecido, é inserida em uma região de vazão laminar e a pressão do líquido é medida em cada lado. A pressão será maior no lado a montante, com a diferença nas leituras sendo proporcional à distância entre dois pontos de leitura, à vazão volumétrica, à viscosidade e ao diâmetro da tubulação, tal como estabelecido na equação de Poiseuille. Depois, são feitas correções de temperatura e pressão para produzir uma taxa de vazão mássica padronizada.

Medidor de Vazão Mássico Térmico
Estes estão disponíveis em dois modelos: tubo de amostra aquecido e sonda inserida. Ambos extraem a massa da capacidade específica de calor do fluido (anulando assim as variações de densidade), de modo que essa propriedade deve ser conhecida. Medidores de vazão térmicos de massa são ideais para taxas baixas de vazão de gás.

Em um medidor de vazão mássica de tubo de amostra aquecido, parte da vazão, ou todo ele, passa através de um tubo de alta precisão. O tubo sofre aplicação de calor e a alteração na temperatura é medida. A diferença de temperatura entre os dois pontos indica quanta energia o fluido absorveu, o que depende do movimento da massa através do tubo.

Medidores de vazão mássica por sonda inserida utilizam o mesmo princípio, mas com duas sondas RTD (sensor de temperatura por resistência) posicionadas na vazão. O sensor a montante mede a temperatura do fluido enquanto o segundo é aquecido a uma temperatura acima daquela do primeiro sensor. O calor é transferido do segundo sensor para o fluido a uma taxa correspondente à vazão da massa.

O Medidor de Vazão Mássica Coriolis
Medidores da vazão mássica Coriolis medem a massa através da inércia. Um líquido ou gás denso flui através de um tubo, que é vibrado por um pequeno atuador. Esta aceleração produz uma força de torção mensurável no tubo, proporcional à massa. A taxa de vazão mássica é indicada sem a necessidade de qualquer conhecimento do fluido que entra. Medidores de vazão Coriolis mais sofisticados empregam dois tubos curvos para maior sensibilidade e menor queda de pressão.

Três fatores afetam a precisão do medidor de vazão mássica por pressão diferencial. Em primeiro lugar, a medição é inferida por temperatura e pressão, de modo que qualquer erro nessas é refletido no resultado final. Em segundo lugar, existem suposições sobre a viscosidade e o grau em que a vazão laminar é alcançado (a turbulência afeta a vazão através da obstrução e cria medições de pressão incorretas). Em terceiro lugar, e talvez mais importante, o orifício pode desgastar-se, tornando-se maior ao longo do tempo e, assim, reduzindo a queda de pressão. Dependendo do fluido de passagem, também há um risco de obstrução parcial.

Durante o uso de medidores de vazão térmicos de massa, é importante considerar a possível influência de:

Além disso, medidores de vazão térmicos de massa precisam de tempo para alcançarem uma temperatura operacional consistente. As leituras não devem ser tomadas quando o dispositivo é ligado.

Embora considerados mais precisos, os medidores de vazão mássica Coriolis são suscetíveis a erros, resultantes de bolhas no líquido. Essas causam "borrifos" dentro do tubo, gerando ruído e alterando a energia necessária para a vibração do tubo. Grandes cavidades aumentam a energia necessária para a vibração do tubo desordenadamente, levando ao fracasso total. Além disso, a separação de fluido em gás e líquido produz um efeito de amortecimento na vibração do tubo.

Medidores de vazão mássica por pressão diferencial podem ser aplicados onde se possa presumir com segurança que o fluido tem viscosidade consistente e, idealmente, quando a temperatura não muda. A compressibilidade dos gases pode causar problemas, mas aplicações de manuseio e distribuição de líquidos geralmente funcionam bem. Deve ser levada em conta a queda de pressão no medidor. Esses medidores de vazão são úteis quando é preciso tomar uma leitura tão logo o medidor seja ligado.

Medidores de vazão térmicos de massa trabalham com líquidos e gases. Eles são amplamente utilizados em:

Outras aplicações comuns para os medidores de vazão térmicos de massa incluem análise laboratorial, como cromatografia gasosa.

Como a técnica mais precisa e também a mais cara, medidores de vazão mássica Coriolis são o tipo predominante de medidor em aplicações científicas, onde medem gases e líquidos corrosivos e limpos. Eles também são encontrados em:

Medidores com um projeto de tubo reto são mais fáceis de limpar e, portanto, são preferíveis para aplicações com bebidas e alimentos, assim como na indústria farmacêutica. Eles também são compatíveis com lamas normalmente encontradas em operações de mineração.

Os medidores da série FMA6600/6700 da OMEGA® são dispositivos de fluxo de massa multiparâmetro capazes de fornecer medições de fluxo, pressão e temperatura. Destinados para uso com gases, a vazão mássica é medida usando o princípio de tubo de amostra aquecido. Estes medidores lidam bem com fluxos de gás de 0,15 a 100 LPM e têm precisão de ± 1% e exatidão ±11⁄2 por cento da escala completa.

A família FMA3100/3300ST de medidores de vazão térmicos de massa em aço inoxidável também foram projetados para gases secos e limpos. Usando o princípio do tubo de amostra aquecido, estes lidam com taxas de fluxo de 0,4 a 20 SCCM para 10 a 500 LPM com sensibilidade de temperatura de ±0,15% e repetibilidade ± 0,25%, em escala completa.

Para situações em que o medidor de vazão mássica por pressão diferencial é mais apropriado, o FMA-1600A tem uma faixa de 0 a 0,5 SCCM até 0 a 3.000 SLM. Ele inclui mais de 30 calibrações de gás e exibe a temperatura, pressão e taxa de fluxo volumétrico e de massa simultaneamente. A precisão típica na série FMA-1600A é de ± (0,8% da leitura + 0,2% da escala completa).

Taxas de fluxo de massa podem ser medidas indiretamente pela pressão diferencial ou diretamente com um medidor que utilize a capacidade térmica específica ou o efeito de Coriolis.

Medidores de vazão mássica de Coriolis produzem medições mais precisas para a maior parte dos líquidos, mas são caros. Eles têm a vantagem de não precisar de qualquer conhecimento sobre o líquido.

Medidores de vazão térmicos de massa são um método de medição menos preciso, mas ainda direto. Eles exigem conhecimento da capacidade térmica específica do fluido.

O medidor de vazão mássica por pressão diferencial produz uma medição indireta, derivada através da equação de Poiseuille, que deve ser ajustada para a pressão e temperatura do fluido. Isto funciona bem quando o fluido é incompressível.