Guia do Medidor de Vazão Mássica: Princípios, Tipos e Aplicações

Nos sistemas atuais de controle de processos industriais, transferência de custódia e faturamento, a capacidade de medir com precisão a vazão mássica de fluidos é fundamental para o bom funcionamento das operações, permitindo a dosagem precisa na fabricação e a cobrança justa na medição comercial. Os medidores de vazão mássica são instrumentos de medição essenciais em diversos setores, pois são mais precisos e confiáveis do que os dispositivos de medição de vazão volumétrica (como medidores de vazão tipo turbina, medidores de vazão por deslocamento positivo, medidores de vazão magnéticos, etc.). Este guia detalhado aborda o que são medidores de vazão mássica, suas aplicações, os diferentes tipos e os principais usos.

O que é um medidor de vazão mássica?

Um medidor de vazão mássica é uma ferramenta muito precisa que mede a taxa de fluxo de massa de fluidos que se movem através de uma tubulação. Os medidores de vazão mássica, por outro lado, fornecem medições diretas da massa de fluidos em unidades de fluxo como kg, tonelada ou libras, que não variam com a temperatura, pressão, densidade ou viscosidade. Já os medidores de vazão volumétrica medem o volume de fluidos (unidades de fluxo como m³/h, CFM ou GPM). Devido a essa capacidade, eles são necessários em situações que exigem alta precisão e consistência.

Existem muitos princípios físicos que regem o funcionamento dos medidores de vazão mássica, mas o efeito Coriolis é o mais comum e também o que apresenta maior precisão. Quando um fluido se move através de dois tubos sensores vibratórios, ele causa defasagens ou alterações de frequência proporcionais à vazão mássica. O transmissor de vazão mássica Coriolis consegue calcular a vazão mássica com grande precisão ao detectar essas alterações.

Por que a medição da vazão mássica é importante?

Em aplicações industriais práticas, a medição de vazão mássica é muito superior à medição volumétrica por diversos motivos:

• Melhor Precisão

Os medidores de vazão mássica Coriolis geralmente medem com uma precisão de ±0,1% a ±0,2%, o que é muito melhor do que os medidores de vazão volumétrica tradicionais (por exemplo, os rotâmetros têm uma precisão de apenas 1,0% a 1,5%). Essa alta precisão é muito importante para a transferência de custódia, dosagem e controle de qualidade, onde mesmo pequenos erros ou medições imprecisas podem ter efeitos negativos.

• Independência das condições do processo

Alterações na temperatura e pressão do fluido não afetam o resultado da medição do sensor Coriolis, portanto, não há necessidade de realizar cálculos de compensação ou correção (por exemplo, em medidores de vazão de turbina a gás EVC). Essa característica é especialmente útil em algumas aplicações onde as condições de operação, como pressão ou temperatura, variam frequentemente na medição da vazão de gás, visto que medições volumétricas exigiriam correções complexas que aumentariam a incerteza.

• Dados de fluxo de massa direto

Muitos processos industriais necessitam de dados de massa em vez de dados de volume. A massa é importante para reações químicas, mistura de materiais e para calcular a quantidade de energia necessária. Os medidores de vazão mássica fornecem essa informação diretamente, o que reduz erros de conversão e facilita o controle do processo. Por exemplo, se a vazão de nitrogênio calculada a partir do medidor de turbina a gás for de 20 CFM, é difícil obter um valor de densidade preciso para convertê-lo em kg/h.

• Medição de múltiplos parâmetros

Os medidores de vazão mássica modernos podem medir mais de um parâmetro (unidade de vazão mássica) simultaneamente, como densidade, concentração, Brix e temperatura. Essa multifuncionalidade significa que são necessários menos instrumentos de campo, o que reduz os custos de instalação e torna todo o sistema mais fácil de usar, além de aumentar a confiabilidade das medições.

• Ampla gama de usos

Os medidores de vazão mássica podem funcionar com diversos fluidos, como líquidos, gases e pastas; além disso, são capazes de lidar com aplicações que exigem fluidos de alta viscosidade, como medição de oxigênio em temperaturas ultrabaixas, medição de nitrogênio em pressões ultra-altas, medição de asfalto ou petróleo bruto ultraviscosos e medição de pastas de mineração altamente abrasivas.

Diferentes tipos de medidores de vazão mássica

Existem dois tipos principais de medidores de vazão mássica, com base em seu funcionamento:

Instrumentos de medição direta de vazão mássica

Os medidores de vazão mássica direta medem a taxa de fluxo de massa sem a necessidade de cálculos ou conversões adicionais:

• Medidores de Vazão Mássica Coriolis

Os medidores Coriolis são o tipo mais comum de medidor de vazão mássica direta. Eles utilizam o princípio do efeito Coriolis. Quando um fluido se move através de um ou mais tubos vibratórios, as forças de Coriolis causam mudanças na fase ou frequência que podem ser medidas. Esses medidores são muito precisos (geralmente ±0,1% ou melhor), podem medir tanto líquidos quanto gases e também podem medir a densidade simultaneamente. São ideais para transferência de custódia, dosagem precisa e medição de fluidos de alto valor.

• Medidores de Vazão Mássica Térmica

Os medidores térmicos utilizam os princípios da transferência de calor para determinar a vazão mássica, medindo o calor transportado pelo fluido em movimento. São utilizados para medir gases e são especialmente populares na fabricação de semicondutores, no monitoramento de gás natural e em sistemas de ar comprimido. Esses medidores são econômicos para uso com gases e exigem pouca manutenção.

Medição indireta de fluxo de massa

Os medidores de vazão mássica indiretos calculam a vazão mássica medindo tanto a vazão volumétrica quanto a densidade:

• Medidor de vazão volumétrica com compensação de densidade

Medição indireta da vazão mássica de vapor por medidor de vazão tipo vórtice

Este método utiliza um densímetro e um medidor de vazão volumétrica separados, como um medidor de turbina, vórtice ou eletromagnético. Para encontrar a vazão mássica, multiplica-se a vazão volumétrica pela densidade. Esta solução pode não ser tão precisa quanto os métodos diretos, mas pode ser mais econômica para algumas aplicações.

• Medidores de vazão por pressão diferencial com compensação

Medidor de vazão por pressão diferencial

É possível aprimorar os medidores de vazão DP tradicionais (como placas de orifício, cone em V, anulares e tubos Venturi) adicionando sensores de temperatura RTD e de pressão para realizar a compensação e obter estimativas de vazão mássica. Esses sistemas são bem conhecidos e têm uma longa história, mas geralmente não são tão precisos quanto os medidores de vazão mássica direta. No entanto, ainda possuem ampla aplicação, como na medição de gás natural em alta pressão e na medição de vazão de vapor superaquecido.

Os medidores de vazão mássica indiretos são muito mais baratos, mas geralmente são menos precisos e confiáveis do que os métodos de medição direta. Eles também exigem mais manutenção, pois possuem mais sensores para obter o resultado.

Aplicações dos Medidores de Vazão Mássica

• Aplicações na Medição e Controle de Processos

Os medidores de vazão mássica Coriolis são utilizados em áreas que exigem dosagem precisa e controle rigoroso de processos. Na indústria química, monitoram a matéria-prima que entra nos reatores para garantir que as quantidades corretas dos diferentes produtos químicos estejam presentes nas reações. Na indústria de petróleo e gás, são usados para medir petróleo bruto, gás natural e GLP para fins de comercialização. As indústrias alimentícia e farmacêutica também dependem deles para controlar cuidadosamente a adição de ingredientes importantes ou caros, como açúcares, aromatizantes e princípios ativos.

• Uso em condições extremas e fluidos complexos.

O medidor de vazão mássica Coriolis é excelente para lidar com fluidos complexos e difíceis de medir. Ele mede com precisão fluidos não newtonianos, líquidos com bolhas e fluidos com viscosidade extremamente alta, como petróleo bruto, resina, melaço ou pasta de chocolate. Esses são os tipos de fluidos que outros medidores de vazão geralmente não conseguem medir. Além disso, ele funciona muito bem em situações de alta pressão e alta temperatura, como na medição do fluxo de cera, propano criogênico, lama de perfuração, enxofre líquido e assim por diante. O design do sensor de vazão mássica, que não possui zonas mortas nem partes móveis, facilita a limpeza e atende aos rigorosos padrões sanitários para usos higiênicos, como o transporte de laticínios ou biofármacos por dutos.

• Aplicações na medição de parâmetros derivados e na economia de dinheiro

Os medidores de vazão mássica Coriolis medem mais do que apenas a vazão mássica. Eles também medem a densidade e a temperatura do fluido. Essa característica adicional amplia consideravelmente sua gama de aplicações, permitindo medições indiretas de fatores importantes como concentração de líquidos, pureza do álcool, teor de açúcar (Brix) ou concentração de ácido sulfúrico, o que significa que você não precisa de tantos sensores separados.