Nas aplicações automatizadas de fluidos na indústria, é essencial monitorizar com precisão parâmetros como fluxo, pressão, temperatura e nível do meio de fluxo. Garantir a escolha dos componentes corretos e a sua instalação adequada é crucial para obter medições precisas, fiáveis e de fácil automação. A integração de componentes modernos de automação em sistemas novos ou existentes otimiza a engenharia e assegura um comissionamento intuitivo e sem falhas. Neste artigo, abordamos em detalhe os erros mais comuns na implementação de sensores de fluxo industriais.
Escolher o sensor correto, instalá-lo de forma adequada e realizar um comissionamento eficiente, garantem resultados de alta qualidade. Este artigo também explica os princípios de funcionamento dos sensores de fluxo e aborda os erros frequentes que os utilizadores devem evitar.
Fundamentos da Tecnologia de Sensores de Fluxo
Nos processos de produção industrial, é crucial alcançar resultados consistentes e de alta qualidade, minimizando ou eliminando falhas e tempos de inatividade. Para atingir este objetivo, deve-se selecionar componentes com características de qualidade adequadas e garantir a correta instalação e posicionamento ao longo de toda a rede de aplicação.
Os sensores eletrónicos de fluxo ou de taxa de fluxo, detetam, de forma fiável e em tempo útil, desvios críticos na velocidade ou na taxa de fluxo. Muitas vezes, há confusão entre sensores de fluxo e de taxa de fluxo. Os sensores de fluxo monitorizam as velocidades de fluxo em relação a um valor de referência relativo, enquanto os sensores de taxa de fluxo medem a quantidade de fluxo de um meio de forma absoluta, seja em volume ou massa, normalmente com base numa secção transversal definida de um tubo.
A escolha do princípio de funcionamento adequado depende da aplicação. Sensores de fluxo com princípio calorimétrico monitorizam de forma ideal as velocidades de fluxo e usam-se amplamente esses sensores em bombas (para proteção contra funcionamento a seco) e em circuitos de arrefecimento, como os utilizados em robôs de soldadura. Estes sensores calorimétricos destacam-se por serem relativamente económicos e suficientemente potentes para realizar tarefas de monitorização relativa.
Como Escolher o Sensor de Fluxo Adequado
Após optar por um princípio de funcionamento específico, é essencial considerar as condições específicas da aplicação e como o sensor se conectará ao ambiente de controlo. Os seguintes fatores devem ser levados em conta:
- Tipo de meio a ser monitorizado: será gasoso ou líquido?
- Dispositivo compacto ou com sensor remoto: qual dos dois se adequa melhor à aplicação?
- Resistência e materiais usados: tanto das partes em contacto com o meio quanto daquelas que não o estão.
- Aplicação em áreas potencialmente explosivas ou seguras: o ambiente é classificado como explosivo?
- Monitorização de valores de referência individuais ou intervalos: precisa de medir faixas de valores ou valores absolutos?
- Outros requisitos: como comprimento do sensor, resistência a temperatura e pressão, tipo de conexão e capacidade de comunicação.
Princípio de Funcionamento Calorimétrico
Um sensor de fluxo calorimétrico baseia-se no princípio da termodinâmica. O sensor aquece o seu elemento sensível até que a temperatura do mesmo seja suficientemente mais elevada que a do meio de fluxo.
Este gradiente de energia térmica gerado artificialmente é o que permite ao sensor detetar o fluxo. Quanto maior a velocidade do meio em movimento, maior será o arrefecimento do sensor. A relação entre o potencial térmico e a velocidade do fluxo é direta: um meio de fluxo rápido arrefece o sensor mais depressa do que um meio de fluxo lento.
Este princípio de funcionamento pode ser explicado mediante dois cenários extremos.
Aplicação I: Meio Estacionário (v do meio = 0 m/s)
Quando o meio está parado, o potencial térmico gerado pelo sensor atinge o seu máximo. A imagem de uma câmara termográfica mostraria uma distribuição de calor em forma de esfera. Devido à baixa condutividade térmica do meio parado, quase não ocorre troca de calor entre o sensor e o meio.
Aplicação II: Meio em Fluxo (v do meio > 0 m/s)
Quando o meio se move, o fluxo deforma o calor que o sensor gera, criando um cone semelhante a uma chama de vela deitada. Quanto mais rápido o meio flui, mais achatado e alongado o cone fica. O fluxo transporta a energia térmica, e o sensor reduz o seu potencial térmico até atingir o limite superior da sua capacidade de monitorização.
A energia térmica é transportada pelo meio fluido, e o forte potencial térmico inicial vai diminuindo até se aproximar de zero. Quando esse ponto é alcançado, o sensor de fluxo também atinge o limite superior do seu intervalo de funcionamento. Todos os valores entre esses extremos formam o intervalo de operação utilizável pelo utilizador na monitorização do fluxo.
No final deste documento técnico, o glossário apresenta princípios de funcionamento alternativos, assim como os termos técnicos mais importantes para a monitorização de fluxo.
A sonda de um sensor de fluxo calorimétrico é aquecida de um lado. Dois sensores dentro da sonda determinam as temperaturas em ambos os lados. A diferença de temperatura diminui à medida que o meio flui mais rapidamente.
Sensores de Imersão vs. Sensores Inline
Existem dois tipos principais de sensores de fluxo: sensores de imersão e sensores inline. Os sensores de imersão são instalados como elementos sensoriais numa tubagem ou conduta onde o meio flui. Normalmente, operam com base no princípio calorimétrico e são amplamente utilizados para tarefas de monitorização.
Os sensores inline, por outro lado, fazem parte integrante da tubagem, e o meio flui diretamente através deles. Este design permite o uso de outros princípios de medição, sendo, por isso, mais comuns em medições absolutas de fluxo. Como a secção transversal do tubo já está definida, o sensor pode calcular o valor do fluxo internamente.
Cinco Erros Comuns ao Utilizar Sensores de Fluxo
1. Confundir Medição com Monitorização
“Qual é a diferença entre monitorização relativa e medição absoluta?”
Esta questão surge repetidamente, especialmente no campo das aplicações de fluidos industriais. O âmbito das funções e a área de aplicação da respetiva tecnologia de sensores dependem inteiramente da correta definição de medição e monitorização.
A diferença entre medição e monitorização está nos adjetivos “relativo” e “absoluto”.
Medição
As medições fornecem valores absolutos. Estes valores de medição referem-se a uma referência absoluta. Tipicamente, estão associados a um certo grau de imprecisão.
Na verdade, nenhum dos três realmente existe. O que de facto existe são custos, plantas e precisão. Os especialistas falam geralmente de medições quando os valores absolutos também têm uma precisão correspondente. No entanto, medir com menor precisão também pode ser considerado uma medição real, sem qualquer hesitação.
A sonda de um sensor de fluxo calorimétrico é aquecida de um lado. Dois sensores dentro da sonda determinam as temperaturas em ambos os lados. A diferença de temperatura torna-se menor quanto mais rápido o meio flui.
Monitorização
Quando observamos variáveis físicas, como a velocidade do fluxo, em relação às suas tendências, usamos o termo “monitorização” no campo da tecnologia de fluidos industriais — neste caso, monitorização de fluxo.
A principal função de um sensor de fluxo clássico é monitorizar as condições de fluxo de um meio, verificando se a velocidade aumenta ou diminui. Os pontos de referência podem ser fornecidos diretamente pelo sensor ou definidos com base numa referência relativa no controlador.
Resumo
Uma medição absoluta também pode ser usada para monitorização e é, por assim dizer, “compatível para baixo”. No entanto, a monitorização relativa não substitui a medição “real”.
2. Definir um Ponto de Referência Incorreto
O utilizador deve avaliar as condições de aplicação ao colocar o sensor em serviço e configurá-lo. Definir o valor de referência corretamente é crucial para garantir a validade da monitorização do fluxo.
Podemos ilustrar esse conceito com o exemplo de um termómetro médico: Quando suspeitamos que alguém está com febre, medimos a temperatura com o termómetro. Sabemos que obtemos um resultado válido apenas quando o termómetro emite o sinal sonoro, indicando que podemos realizar a leitura.
Se lermos o termómetro cedo demais, o valor exibido será geralmente baixo. Embora ler o termómetro tardiamente não altere a temperatura, cria incerteza na interpretação do resultado. Além disso, essa leitura mais demorada consome tempo desnecessário. Assim, é essencial ler o valor no momento certo, nem cedo demais, nem tarde demais.
3. Comprar um Sensor de Temperatura Desnecessário
Em aplicações de fluidos, cada parâmetro físico — pressão, nível, fluxo, taxa de fluxo e temperatura — é geralmente medido por um sensor dedicado. No entanto, ao analisarmos o princípio de funcionamento de um sensor de fluxo calorimétrico, verificamos que esses sensores também registam a temperatura do meio, quase como um subproduto, para detetar o fluxo. Assim, além de monitorizar o fluxo, é possível acompanhar a temperatura do meio utilizando os recursos integrados dos sensores calorimétricos.
Em muitas aplicações de fluidos, que requerem uma indicação da temperatura do meio, isto representa uma grande vantagem, pois elimina a necessidade de sensores de temperatura separados. Em diversos casos, como na monitorização de circuitos de arrefecimento, medições de temperatura extremamente precisas não são necessárias. Basta saber se a temperatura do meio está em torno de 20 ou 40 graus. Para uma precisão de até +/-7 Kelvin, a medição interna do sensor calorimétrico é suficiente.
Se a variação no delta for muito abrupta (curva íngreme), pode significar que ainda não há um fluxo constante ou que o sensor ainda está em processo de aquecimento. O sensor só permite o ajuste quando o delta de fluxo se estabiliza adequadamente.
O uso de um sensor de temperatura separado, com maior precisão, só se justifica em aplicações que exigem valores de temperatura mais exatos, os quais a calorimetria não consegue fornecer.
4. Montagem Dupla
Os sensores de fluxo de imersão clássicos têm uma ponta sensora metálica e cilíndrica que abriga o elemento sensível, imerso no fluxo a ser monitorizado. Geralmente, esses sensores contam com conexões de processo especiais que integram facilmente o sensor no processo real.
Ao medir o fluxo, precisamos considerar a posição da ponta do sensor em relação ao fluxo monitorizado, pois a disposição interna do elemento sensível na ponta de imersão define um alinhamento específico. Para que o sensor atinja o seu desempenho máximo na medição do fluxo, devemos garantir um alinhamento preciso.
No entanto, na monitorização relativa do fluxo, o alinhamento rotativo tem pouca importância. Durante a configuração do sensor (processo de ajuste), vinculamos o sensor à sua posição específica em relação à direção do fluxo, permitindo assim detetar o fluxo com sensibilidade suficiente. Portanto, o erro nos sensores de imersão geralmente ocorre quando alteramos o alinhamento do sensor sem realizar novamente o ajuste do valor de referência.
5. Posicionamento Incorreto do Sensor
O posicionamento do sensor dentro de sistemas fechados de fluxo desempenha um papel crucial. Na prática, muitos fatores influenciam o resultado da medição ou monitorização.
Perfil de fluxo
Quando um meio flui por um tubo sem interferências, cria-se um perfil de fluxo laminar, caracterizado por uma distribuição de velocidade não homogénea. A parede interna do canal apresenta a velocidade mínima, enquanto o centro da secção transversal do tubo exibe a velocidade máxima.
Fluidos turbulentos formam-se a velocidades muito elevadas ou quando existem corpos interferentes, como cantos, curvas, válvulas, bombas ou filtros. Nessas situações, surgem perfis de fluxo turbulento e caótico. Em casos de turbulência extrema, utiliza-se um retificador de fluxo antes do sensor.
Depósitos e almofadas de ar
Em aplicações industriais de fluidos, é comum que os meios transportados estejam contaminados ou permeados por partículas devido ao processo. Embora se utilizem filtros em muitas aplicações, nem sempre são viáveis. Assim, lodo e partículas suspensas podem acumular-se no meio e, ao longo do tempo, depositar-se no fundo do canal de fluxo. Almofadas de ar, que são o equivalente às partículas pesadas, podem também acumular-se na parede superior do tubo em aplicações mal ventiladas, deslocando o meio. Isso assemelha-se ao que ocorre no mergulho em cavernas ou sob o gelo, onde reservatórios de ar se formam na parte inferior da cobertura da caverna ou do gelo devido à respiração dos mergulhadores. Por essa razão, devemos instalar os sensores de monitorização de fluxo em tubagens ascendentes, evitando sempre as tubagens descendentes.
Curto-circuito térmico
Os curto-circuitos não são indesejáveis apenas na engenharia elétrica, mas também na termodinâmica. Estes curto-circuitos térmicos ocorrem quando um potencial térmico encontra um caminho direto para a equalização, através de uma ponte térmica, que possui alta condutividade térmica. O potencial tende a equilibrar-se. A posição do sensor deve ser ajustada para evitar o contacto entre a ponta metálica da sonda e a parede oposta do tubo.
Posição ideal do sensor
Para obter os melhores resultados de monitorização, deve-se instalar o sensor numa parte do sistema de tubagens onde se espera uma distribuição uniforme da velocidade. Assim, é recomendável manter secções de entrada e saída a montante e a jusante do sensor de fluxo. Estas secções não devem ter corpos interferentes, garantindo uma distância suficiente de curvas ou estreitamentos. Além disso, a ponta da sonda deve ser posicionada o mais centralmente possível na secção transversal do tubo.
Resumo
Devido ao seu design simples, de baixa manutenção e sua aplicabilidade quase universal, os sensores de fluxo calorimétricos para monitorização de fluxo industrial são superiores a outros conceitos em muitos aspetos, especialmente do ponto de vista de custo. Quando utilizamos os sensores conforme o pretendido para monitorização de fluxo, a nossa precisão é suficiente. Ao evitarmos os erros descritos, proporcionamos resultados extremamente fiáveis, com alta eficiência económica.
Glossário – Terminologia técnica de medição de fluxo explicada de forma simples
Intervalo de operação (intervalo de deteção)
O intervalo de operação ou de deteção especifica a faixa da variável de processo para a qual o sensor fornece um sinal de saída padronizado. Esta faixa é geralmente dependente da condutividade térmica do meio. O intervalo de deteção limita o sinal de saída avaliável, mas não a velocidade máxima permissível do fluxo.
Tempo de espera
O tempo de espera é o período durante o qual o sensor atinge o seu estado operacional. O sensor fica pronto para operar apenas após o tempo de espera decorrer; em seguida, podemos configurá-lo ou utilizar o seu sinal de saída para avaliação.
Resistência à pressão
A resistência à pressão refere-se geralmente ao invólucro do sensor. Até à pressão máxima especificada, o sensor não se danifica e fornece um sinal de saída estável. No entanto, as construções de conexões de rosca, relacionadas à aplicação, podem ter diferentes resistências à pressão, que podem ser menores.
Temperatura do meio
A faixa de temperatura do meio, geralmente especificada como um par de valores, define os limites nos quais podemos utilizar o sensor sem que ele sofra danos e ainda forneça sinais de saída válidos.
Corrente nominal
Como a curva característica de saída dos sensores de fluxo calorimétricos é tipicamente não linear, todos os outros parâmetros estão relacionados ao ponto de operação adequado para o fluxo nominal.
Tempo de resposta
O tempo de resposta é um valor cumulativo que consiste no tempo de ativação e no tempo de desativação. Definimos o tempo de ativação como o período em que o sensor deteta, processa e fornece uma alteração na variável de processo. Devido à curva característica do sensor, esse tempo reduz-se em baixas taxas de fluxo e aumenta em taxas de fluxo mais elevadas. O tempo de desativação ocorre de forma oposta, o que torna o tempo de resposta praticamente constante.
Número de Reynolds
Utilizamos o número adimensional de Reynolds na mecânica dos fluidos para determinar o tipo de fluxo. Basicamente, podemos diferenciar dois tipos de fluxo: o fluxo laminar, sem turbulência, e o fluxo turbulento, com turbulência.
- Fluxo laminar Re < 2320
- Fluxo turbulento Re > 2320
Gradiente de temperatura
O gradiente de temperatura define a variação máxima de temperatura de um meio por unidade de tempo que um sensor consegue acompanhar sem falhas. É uma medida da qualidade de um sensor de fluxo.
Temperatura ambiente
A temperatura ambiente define as temperaturas máxima e mínima permitidas no ambiente externo, dentro das quais podemos operar o sensor de acordo com as especificações.
Condutividade térmica
A condutividade térmica — também conhecida como coeficiente térmico — descreve a propriedade de um material que determina o fluxo de calor através dele, com base na condução de calor. A condutividade térmica fornece informações sobre a capacidade de um material em conduzir energia térmica.
Efeito indutivo magnético
O efeito indutivo magnético aplica-se apenas a meios condutores. Quando aplicamos um campo magnético, os portadores de carga em movimento induzem uma voltagem elétrica no fluxo, que podemos captar perpendicularmente à direção do movimento e ao campo magnético aplicado na parede do tubo. A magnitude da voltagem captada é proporcional à velocidade média do fluxo.
Efeito vórtice
A rua de vórtices de Kármán forma-se atrás de um corpo interferente incorporado no fluxo. Vórtices desprendem-se periodicamente de ambos os lados do corpo interferente. Existe uma correlação direta entre a frequência dos vórtices que ocorrem e a taxa de fluxo. Este efeito tende a ser desfavorável em meios abrasivos.
Efeito Coriolis
Adequado para medir o fluxo de massa de líquidos ou gases em sistemas de fluxo fechados. Um tubo com uma curva induz a vibrar o meio que flui, e a força resultante de Coriolis é medida.
Efeito Doppler
Ultrassons transmitidos e recebidos no meio detectam mudanças relativas na frequência. Desvios na frequência de saída em relação à frequência de entrada são uma medida da velocidade de fluxo do meio. Partículas refletoras, como pequenas bolhas de ar ou partículas de sujidade no meio, são necessárias.
Método do tempo de trânsito
A velocidade do sinal ultrassónico transmitido sobrepõe-se à velocidade do fluxo do meio. Se o pulso ultrassónico viajar na mesma direção do fluxo, o tempo de trânsito diminui, enquanto aumenta na direção oposta. O técnico pode usar a medição da diferença de tempo de trânsito para determinar a velocidade de fluxo.
Efeito Venturi de Bernoulli
No método de pressão diferencial, estreitamos significativamente a secção transversal do tubo na forma de um orifício ou bocal. Como o volume e o fluxo de massa precisam ser os mesmos em todos os pontos do sistema de tubagem, isso inevitavelmente cria um gradiente de pressão, a partir do qual podemos derivar a taxa de fluxo.
Método SAW (Surface Acoustic Wave)
Um sinal elétrico estimula os transdutores interdigitais e eles geram e detectam ondas acústicas de superfície. Estas propagam-se pela superfície do tubo e também se acoplam ao líquido em um ângulo específico. As ondas geram sinais de receção quando atravessam o líquido uma ou várias vezes, tanto na direção do fluxo quanto na direção oposta. As diferenças no tempo de trânsito são proporcionais à taxa de fluxo.
Método Calorimétrico
O método calorimétrico, também conhecido como princípio de funcionamento termodinâmico, consiste em aquecer o elemento sensível em relação ao meio de fluxo. O meio dissipa a energia térmica gerada no elemento, à medida que o meio flui. Pode-se medir esta dissipação e a velocidade do fluxo pode derivar a partir dela (da dissipação).
Fonte: Turck
