Medição de fluxo de líquidos utilizando sensores de pressão

Sensores de pressão diferencial são amplamente utilizados para medir a vazão de líquidos incompressíveis, como a água. O método mais comum é medir a queda de pressão através de uma placa de orifício em uma tubulação e calcular a vazão. Uma placa de orifício é simplesmente uma placa instalada na tubulação, normalmente entre flanges, com um orifício central de tamanho conhecido. Quando o fluido passa pelo orifício, é gerada uma queda de pressão através do orifício, da montante para a jusante. Essa queda de pressão é proporcional à vazão, e o sinal do sensor pode ser utilizado para calcular a vazão em unidades de engenharia.
A figura mostra uma configuração típica de placa de orifício. O lado de montante da placa de orifício possui uma pressão mais elevada e está ligado à porta "＋" do sensor de pressão por meio de um manifold de três válvulas. O lado de jusante da placa de orifício está ligado, de forma semelhante, à porta "-" do sensor de pressão. O manifold de três válvulas protege o sensor de pressão contra sobrecarga de pressão quando instalado na tubulação em operação.
O método de cálculo para determinar a vazão a partir da queda de pressão baseia-se numa equação física relativamente simples. No entanto, muitas variáveis estão envolvidas nesse cálculo, cada uma com suas próprias unidades de engenharia. Essas variáveis incluem a geometria do orifício, o tamanho do tubo, a viscosidade do fluido e a densidade do fluido. O cálculo pode ser bastante complexo devido ao grande número de termos e fatores de conversão envolvidos em cada variável. Felizmente, existem muitas calculadoras online disponíveis que permitem calcular a vazão para uma determinada queda de pressão em orifício, bastando apenas inserir as variáveis em qualquer unidade de engenharia conveniente.
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O exemplo que você forneceu detalha como utilizar a relação entre o sinal do sensor de pressão diferencial (Vcc ou mA) e a queda de pressão no orifício para determinar a vazão, estabelecendo a fórmula de conversão correspondente. Este método é uma aplicação típica da medição de vazão por pressão diferencial.
O núcleo do seu conteúdo está correto e o processo é claro. A seguir está um resumo e uma leve otimização com base no seu processo de cálculo e conhecimento da indústria (como a relação Q∝ΔP mencionada nos resultados da pesquisa), principalmente concernente ao rigor da expressão da fórmula.
Resumo do Processo de Cálculo
A lógica do seu cálculo está correta. A seguir está um resumo dos passos principais:
1. Confirmar a relação entre vazão e pressão diferencial:
2. A vazão (Q) é proporcional à raiz quadrada da pressão diferencial (ΔP), ou seja, Q=kΔP
3. A sua planilha de dados confirma isso:
4.
- Quando ΔP = 100 in H₂O, Q = 640 GPM
- Quando ΔP = 25 in H₂O, Q ≈ 320 GPM (cálculo teórico) / 321 GPM (tabela real)
5. Calcular o coeficiente do orifício (k):
6. Calcular utilizando a fórmula k = Q / ΔP.
- Pegue a primeira linha de dados: k = 640 / 100 = 640 / 10 = 64
- Sugestão de otimização: Escreva mais rigorosamente a fórmula como k = Q / ΔP. Seu texto original omitiu o sinal da variável para k = GPM / √(ΔP).
7. Verifique o coeficiente da placa de orifício (k):
8. Calcule outro ponto de dados usando k=64 para verificar sua aplicabilidade geral:
- Cálculo: Q = 64 × 25 = 64 × 5 = 320 GPM
- Comparação: Na sua tabela, Q = 321 GPM quando ΔP = 25 in H₂O.
- Análise e Otimização: Existe uma pequena diferença de 1 GPM entre o valor calculado (320 GPM) e o valor da tabela (321 GPM). Isso confirma sua referência a "precisão aproximada de 1%" e "diferença de 1-2 GPM", o que é aceitável em aplicações de engenharia. Se desejar uma precisão extremamente alta, você deve verificar os dados ou coeficientes originais.
9. Deduza a fórmula da vazão com base no tipo de sinal do sensor:
- Para um sinal Vdc (0-5V):
- Tensão e pressão diferencial estão linearmente relacionadas: ΔP = (100 in H₂O/5V) × Vdc = 20 × Vdc. - A fórmula da vazão é: Q = kΔP = 64 × 20 × Vdc
- Você calculou k′ = 286,217 usando k′ = Q / Vdc, então Q = 286,217 × Vdc. Esta fórmula está correta; essencialmente, Q = 64 × 20 Vdc = 64 × 20 × Vdc ≈ 286,217 × Vdc.
- Para um sinal em mA (4-20 mA):
- A pressão diferencial está linearmente relacionada à corrente efetiva: ΔP = [100 in H₂O / (20 − 4) mA] × (ImA − 4) = 6,25 × (ImA − 4).
- A fórmula da vazão é: Q = kΔP = 64 × 6,25 × (ImA − 4) = 64 × 2,5 × (ImA − 4) = 160 × (ImA − 4).
- Você calculou k′′ = Q / (ImA − 4) para obter k′′ = 160, então Q = 160 × (ImA − 4). Esta fórmula está correta.
- Verificação: Q = 160 × (8 − 4) = 160 × 2 = 320 GPM. A discrepância em relação aos 321 GPM na tabela reflete novamente os possíveis pequenos erros no sistema.
Coisas a Considerar:
Algumas considerações práticas se aplicam. O manifold de três válvulas deve ser utilizado com uma placa de orifício e um sensor de pressão diferencial. Isso permite utilizar o sensor de pressão enquanto a tubulação está pressurizada. Para isso, conecte as portas positiva e negativa do sensor de pressão às válvulas de isolamento fechadas, ao mesmo tempo em que abre a válvula de equalização. Em seguida, abra lentamente as válvulas de isolamento para distribuir uniformemente a pressão estática da tubulação em ambos os lados do sensor de pressão. A abertura da válvula de equalização elimina qualquer possibilidade de aplicação de uma pressão diferencial elevada ao sensor. Uma vez que o sensor de pressão esteja totalmente conectado, a válvula de equalização fecha, permitindo que o sensor de pressão detecte a diferença de pressão através da placa de orifício.
Para desativar o sensor de pressão, primeiro abra as válvulas de equalização e, em seguida, feche as válvulas de isolamento. Quando a válvula de isolamento estiver totalmente fechada, qualquer pressão residual na cavidade do sensor será liberada através do orifício de ventilação do sensor de pressão. A válvula de equalização poderá então ser fechada para desconectar o sensor de pressão do coletor. Observe que todas as operações devem ser realizadas nesta ordem exata: ao colocar o sensor de pressão em funcionamento, abra primeiro a válvula de equalização; ao remover o sensor de pressão do serviço, feche por último a válvula de equalização.
A compatibilidade dos materiais é outra consideração importante. As partes molhadas em aço inoxidável 316 são a melhor escolha para sensores de pressão que medem o fluxo de água. A Validyne também oferece partes molhadas em Inconel para fluidos mais corrosivos. O material do anel O no corpo do sensor de pressão também deve ser compatível com o fluido; a Validyne oferece uma variedade de compostos elastoméricos.
Para tubos com diâmetro interno maior que 2 polegadas, a medição de vazão com placa de orifício é considerada a mais precisa. A placa de orifício deve ser instalada em um trecho reto do tubo, distante de cotovelos ou conexões em T. O tubo que conduz à placa de orifício deve manter um comprimento reto várias vezes equivalente ao diâmetro do tubo. Os anéis de vedação da flange da placa de orifício devem ser cuidadosamente alinhados e não devem obstruir o fluxo do fluido dentro do tubo, caso contrário podem ocorrer erros de medição. Existem outras tecnologias disponíveis para medição de vazão, incluindo medidores de palheta, medidores de turbina, medidores eletromagnéticos de vazão e outros. As placas de orifício e os sistemas de sensores de pressão diferencial continuam sendo amplamente utilizados porque possuem baixo custo, requerem pouca manutenção e oferecem medições razoavelmente precisas em uma ampla variedade de tamanhos de tubos, tipos de líquidos e taxas de vazão.