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Medidores de vazão ou medidores de fluxo são equipamentos cuja finalidade é obter a medida de um fluxo ou de uma vazão de matéria. Medidas de fluxo podem ser feitas das mais diversas maneiras, utilizando os mais variados princípios físicos.

Unidades de medida

O fluxo de gases e líquidos costuma ser expresso em unidades de fluxo volumétrico ou de fluxo mássico, tais como litros por segundo ou quilogramas por segundo. Entretanto várias outras unidades de medida são utilizadas, como a vazão molar (geralmente usada para gases), a taxa de fluxo de energia (geralmente usada para combustíveis, baseia-se na quantidade de energia que pode ser extraída por unidade de volume), etc.

Devido a grande compressibilidade dos gases, vale a pena salientar que o volume dos gases é altamente dependente dos parâmetros temperatura e pressão, fato esse que pode, dependendo das unidade escolhida, mudar o valor do fluxo. Os fluxos mássico e molar de um gás podem, entretanto, ser medido diretamente , independente da pressão e dos efeitos da temperatura

Medidores Eletromagnéticos de Fluxo

Esquema simplificado de um medidor eletromagnético de fluxo

A invenção dos medidores eletromagnéticos de fluxo é atribuída a Bonaventura Thürlemann (1909–1997), padre beneditino e professor de matemática e física na escola do mosteiro de Engelberg (Suiça). Ele publicou, em 1941, um trabalho intitulado "Methode Zur Elektrischen Geschwindigkeitsmessung Von Flüssigkeiten" (em português, Método Elétrico para a Medição da Velocidade em Líquidos).

Com base em suas experiências com os fluxos laminar e turbulento, ele foi capaz de demonstrar que a velocidade de média do fluxo em um tubo pode ser determinada medindo a diferença de potencial elétrico entre dois pontos de fronteira em um tubo sem que seja necessário saber a distribuição de velocidades no tubo.

O Padre Thürlemann nunca patenteou sua invenção. A primeira vez que ele falou em público sobre sua invenção foi na inauguração da unidade de produção de medidores eletromagnéticos de fluxo da empresa suiça Endress+Hauser.

Comportamento observado quando não há fluxo

Comportamento observado quando há fluxo

Design

O medidor de fluxo é composto por:

• Uma seção tubular feita da material isolante ou por um material metálico não ferromagnético revestido internamente por um isolante (necessário para evitar curtos-circuitos);
• Bobinas ou imãs permanentes para gerar o campo magnético;
• Eletrodos para medir a diferença de potencial gerada pela separação dos íons;
• Circuito eletrônico, responsável por filtrar, amplificar e transmitir o sinal adquirido nos eletrodos.

O equipamento é montado de forma que os sensores (eletrodos) sejam simultaneamente ortogonais ao campo magnético e ao fluxo do líquido.

É necessário que o material do qual é feito o tubo do medidor não seja ferromagnético para que não interfira no formato do campo aplicado.

Princípio físico de operação

Para começar a explicar o princípio de operação desse dispositivo é imprescindível notar que ele só funciona para líquidos condutores. Isso por que, microscopicamente, esse equipamento só funciona se houver uma diferença de potencial elétrico resultante da separação dos íons presentes no meio.

Num líquido condutor existem íons positivos (cátions) e íons negativos (ânions) que estão homogeneamente distribuídas no espaço, nesse caso, no interior do tubo. Essa homogeneidade é percebida, em princípio, em toda a tubulação. Entretanto no interior do medidor é aplicado um campo magnético capaz de separar os íons de cargas opostas, cada tipo de carga para um diferente lado. Esse fenômeno ocorre graças a Força de Lorentz, a qual diz que, na inexistência de campos elétricos (particularidade desse caso), toda carga em movimento no interior de um campo magnético é defletida com uma força proporcional a carga, a intensidade do campo e a velocidade da partícula, além de levar em conta fatores geométricos.

A separação das cargas no interior do medidor gera uma diferença de potencial elétrico que será medida pelos eletrodos e processada pelo circuito eletrônico, o que permite conhecer a velocidade do fluxo. A diferença de potencial gerada entre os dois eletrodos não é, em geral, de simples cálculo, entretanto num caso idealizado, onde o campo pode ser considerado uniforme, o perfil do fluxo é o ideal e o tubo está completamente cheio, pode ser feita a seguinte afirmação:

${\mathcal {E}}=Bvd$

Isto é, num tubo de diâmetro d, imerso num campo magnético de módulo B e cujas partículas se movem com velocidade média v, é gerada uma tensão elétrica média de módulo ε entre os eletrodos. Esse é um resultado direto da Lei da indução de Faraday.

Dispositivos reais (não idealizados) requerem um tratamento matemático mais complicado.

Tipos de medidores

Existem basicamente 2 categorias de medidores eletromagnéticos de fluxo: AC e DC. Os dois tipos de medidores têm designs parecidos, para todos os efeitos iguais. A única grande diferença é que medidores AC não podem usar imãs permanentes na sua fabricação. O modelo mais usado é o AC.

Há vantagens e desvantagens na utilização de um tipo ou de outro dos medidores.

AC

Nesse caso o sentido do campo magnético varia. Esse campo muda com a mesma taxa com qual muda a corrente que passa pela bobina, geralmente com a frequência da rede elétrica - mas essa frequência pode ser alterada para algumas aplicações.

Vantagens do tipo AC

• Melhores para a determinação do comportamento instantâneo de transientes e fluxos pulsantes;
• Reduzem efeitos de polarização nos eletrodos.

Desvantagens do tipo AC

• Quando o fluido é um mau condutor, a frequência não pode ser elevada, pois o relaxamento dielétrico não é instantâneo;
• Induz sinais espúrios de corrente alternada nos circuitos de medição.

DC

Nesse caso o sentido do campo magnético não varia.

Vantagens do tipo DC

• Não induz sinais espúrios de corrente alternada nos circuitos de medição.

Desvantagens do tipo DC

• Aumenta os efeitos de polarização nos eletrodos.

Aplicações

As aplicações desse medidor para a medição do fluxo de líquidos são muito grandes. Como uma regra geral podemos usar esse tipo de medidor desde que o líquido seja constituído de cerca de 10% de líquidos condutores. Como exemplo de aplicações podemos citar: ácidos, bases, lamas, alimentos, corantes, polímeros, emulsões, etc. Medidores eletromagnéticos de fluxo não são, em geral, adequados para os líquidos contendo materiais orgânicos e hidrocarbonetos.

Vantagens e Desvantagens

Vantagens

• É um método não invasivo (não interfere significativamente no fluxo). Além disso não tem obstruções no tubo, por isso pode medir vazão de fluidos sujos, corrosivos, abrasivos, com sólidos em suspensão, etc;

• Pode medir fluidos laminares e turbulentos;

• Pouco sensível à viscosidade, densidade, temperatura ou pressão e até mesmo pela condutividade (desde que esteja acima do mínimo exigido);

• Não possui peças móveis que desgastam rapidamente.

Desvantagens

• Exige-se a condutividade mínima para o líquido;

• O princípio de funcionamento requer o tubo sempre cheio de líquido e fluxos assimétricos implicam em erros. Para minimizar esses problemas, monta-se o tubo medidor na posição vertical, com fluxo ascendente.

• O eletrodo precisa estar em contato com o líquido e, como formam-se bolhas de ar no interior do tubo, isso pode dificultar a medida.

• o medidor é montado em linha

• A calibração do medidor é feita por comparação.

• Precisa de energia elétrica, o que limita sua aplicação em alguns lugares.

Leitura adicional

Medidores eletromagnéticos de fluxo

• http://journals.cambridge.org/action/displayJournal?jid=FLM
• The Theory of Electromagnetic Flow-Measurement, J. A. Shercliff, CUP Archive, 1962