• Vídeo de demonstração: Tecnologia para detecção de fluxo de massa térmica

Two men discussing thermal readings on a computer monitor, energy management software, sustainability reporting.
Tutorial: Usar temperatura para medir fluxo de gás

Assista o vídeo.

Medir fluxo de gás é tradicionalmente mais complexo do que medir fluxo de líquido, principalmente porque gases podem ser comprimidos. Mudar a pressão e a temperatura de um gás causa um efeito direto sobre seu volume e é por isso que a medida do volume de um gás precisa ser classificada com os respectivos valores de pressão e temperatura. Nos EUA, utiliza-se pés cúbicos padrão (scf) e a medição correspondente no sistema métrico é normais metros cúbicos (Nm3). As duas unidades de medida têm condições subjacentes especificadas. Se você entender essas especificações, você pode converter o valor volumétrico para outras condições mais relevantes às suas necessidades, ou para um valor de massa. Em qualquer caso, ao lidar com um fluxo de gás, você precisa ser claro em relação ao que está falando. Por exemplo, a saída de um compressor de ar pode ser classificada em SCFM, ou CFM, à uma pressão e uma temperatura específica, como: 100 psi e 21 °C.

Medir o fluxo de gás utilizando uma abordagem baseada em volume, assim como em um rotâmetro ou em um medidor de vazão de área variável, é algo complexo se você não entender o funcionamento. Esses medidores têm uma escala de leitura direta, entretanto, eles mostrarão um valor correto somente em condições de operação muito específicas. Se você estiver operando em uma pressão diferente, por exemplo, é possível corrigir o valor, mas você deverá saber ou medir todos os dados pertinentes. Se você precisar de uma leitura do medidor em uma situação em que as condições não mudam, a maioria dos fabricantes de rotâmetros podem fornecer um medidor calibrado especificamente para suas condições. Entretanto, você não pode usar o aparelho para outras medições sem fazer as correções.

O melhor modo de evitar tudo isso é usar um instrumento baseado em massa. Um grama de gás ainda é um grama, seja qual for a pressão ou a temperatura. Para muitas aplicações, um medidor de vazão Coriolis é a melhor opção para gases, mas esses instrumentos em geral tem um alto custo. Existem alternativas, e uma delas é a tecnologia de massa térmica.

Medidores de vazão de massa com efeito térmico estão baseados na premissa de que uma determinada massa de fluido removerá uma quantidade conhecida de calor de um determinado corpo. Em termos básicos, o sensor utiliza um elemento de aquecimento e, pelo menos, dois sensores de temperatura. O primeiro mede a temperatura da corrente do fluido do processo. O segundo sensor mede a temperatura do elemento de aquecimento. Existem duas abordagens para a utilização dessas medições: uma delas alimenta uma quantidade específica de corrente no elemento de aquecimento e calcula o fluxo, medindo quanto a temperatura real está mais baixa do que ela deveria estar devido à quantidade de corrente. A outra aquece o elemento a uma temperatura específica, e calcula o fluxo, medindo a quantidade de corrente que é necessária para manter aquela temperatura. As duas comparam a temperatura do aquecedor em relação ao fluido de entrada. Os níveis das correntes e as diferenças de temperatura fornecem os dados para calcular o fluxo de massa.

Ao projetar medidores de fluxo, a tecnologia pode ser utilizada de duas formas. Medidores de fluxo instalados em linha envolvem o aquecedor ao redor de uma parte da tubulação e aquecem a parede pelo lado de fora. Eles são normalmente utilizados em projetos menores. Sensores de inserção posicionam o aquecedor e o sensor de temperatura em uma sonda e colocam essa sonda na corrente de gás. Esse tipo de instrumento é mais adequado para tubulações de maior porte, onde a sonda não causará muita obstrução no fluxo interno.

O vídeo de demonstração usa a técnica de inserção, prendendo um termopar a um ferro de solda de 25 W. Quando o ar passa no duto, ele leva embora o calor proveniente do ferro de solda. Já que a potência do elemento de aquecimento é fixa, ele simplesmente fica mais frio à medida que mais ar passa dentro do tubo. Em uma aplicação mais sofisticada, a temperatura do aquecedor poderia ser comparada com a temperatura do gás entrante. A demonstração não faz a calibração da leitura, entretanto, ela utiliza uma leitura simultânea da pressão diferencial para confirmar uma alteração no fluxo.

Se você estiver avaliando uma instalação para um caso real, aqui estão algumas considerações práticas. Os efeitos desses instrumentos variam de fabricante para fabricante, assim, verifique os detalhes específicos com seus fornecedores em potencial.

Já que o projeto utiliza um elemento de aquecimento, ele opera continuamente (ou em longos períodos), com níveis elevados de potência para manter a temperatura estável. Sendo assim, a alimentação por bateria provavelmente não será uma opção prática.

As sondas podem ser fabricadas em diversos tamanhos e para diversos diâmetros de tubos. Portanto, elas são modulares ​​e podem minimizar a obstrução dos dutos.

Usar uma sonda para medição significa que ela tem capacidade apenas de ler uma pequena fração do fluxo do gás. A prática normal é colocar o ponto de detecção no centro da tubulação e o cálculo de vazão final é baseado nos perfis de velocidade característicos para o tamanho do tubo. Isto significa que o comprimento da sonda precisa ser regulável ou fixo para um determinado tamanho de tubo. Isso também significa que a turbulência precisa ser mínima, assim, é necessário que existam estabilizadores de fluxo ou longas seções de tubo reto a montante e a jusante da sonda.

Para dutos maiores ou onde a turbulência é inevitável, algumas sondas têm múltiplos pontos de detecção ao longo de todo o diâmetro, fazendo a leitura do perfil do fluxo para corrigir a distribuição precária do gás.

Fluxos de gases sujos e corrosivos podem deixar depósitos em superfícies críticas e interferir nas medições ou danificar pontos de detecção mais frágeis.

Consulte seus fornecedores de instrumentação para conhecer essas variáveis. O resultado final pode ser uma maneira econômica e prática de medir fluxo de gás sem ter que fazer correções complexas.

—Peter Welander, 
Control Engineering

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