Os medidores de vazão mássica térmicos e os medidores de vazão ultrassônicos são amplamente utilizados na medição de ar comprimido industrial . A escolha entre essas duas opções afeta diretamente a precisão do monitoramento do consumo de energia, os custos de operação e manutenção e a estabilidade da produção. Neste artigo, comparamos as duas tecnologias examinando seus princípios de funcionamento, principais características de desempenho, bem como considerações de instalação e uso em situações reais. Também apresentamos um guia prático para ajudá-lo a selecionar e implementar a solução mais adequada.
1. Princípio do medidor de vazão mássica térmica
Como todos sabemos, esses dois tipos de medidores de vazão possuem princípios de medição diferentes, o que determina diretamente suas condições de operação. O medidor de vazão por dispersão térmica para ar comprimido funciona com base no princípio da condução térmica e utiliza o método da diferença de temperatura constante para medir diretamente a vazão mássica de ar comprimido. O sensor de vazão mássica de ar consiste em dois resistores de platina de referência: um monitora a temperatura do ar comprimido e o outro mantém uma diferença de temperatura constante. A vazão é convertida com base na taxa de dissipação de calor. Uma das principais vantagens é que ele não requer compensação adicional de temperatura e pressão, podendo obter dados de vazão mássica diretamente.
2. Princípio do medidor de vazão de gás ultrassônico
Os medidores de vazão ultrassônicos para ar utilizam principalmente o método de tempo de voo (Time of Flight), que emite ondas sonoras através de transdutores pareados a montante e a jusante, e calcula a velocidade do fluxo utilizando a diferença de tempo entre a propagação direta e a inversa. O medidor de vazão ultrassônico para ar comprimido é projetado para medição de vazão de ar sem contato e permite a instalação do sensor de vazão mesmo sem cortar as tubulações, não possuindo partes móveis em seu interior, sendo adequado para condições de trabalho complexas com grandes diâmetros e altas pressões.
O princípio fundamental da seleção é compatibilizar os parâmetros de desempenho com as condições reais de operação. A tabela a seguir compara claramente os principais indicadores de desempenho dos dois tipos de medidores de vazão, abrangendo dimensões essenciais como precisão, relação de faixa, resistência à pressão e resistência ao calor:
| Indicadores de desempenho | Medidores de vazão de ar comprimido térmico | Medidores de vazão de ar comprimido ultrassônicos |
| Precisão de medição | ±1%FS, modelos de alta precisão até ±0,5%FS | Tipo geral ±1%~±2,5%, tipo de alta precisão ±0,5%~±1% |
| Razão de faixa de fluxo | Proporção típica de 10:1 a 20:1, adequada para flutuações de fluxo pequenas e médias. | 20:1~40:1, vantagem significativa em ampla faixa de operação, adequado para grandes flutuações de fluxo. |
| Faixa de resistência à pressão | Regular ≤1,6 MPa, modelos personalizados até 4 MPa | Regular ≤10MPa, adequado para tubulações industriais de alta pressão. |
| Saída de sinal | Suporta sinais de corrente de 4-20mA, sinais de pulso, alguns com comunicação RS485. | Sinal padrão de 4-20 mA (precisão de 0,1%), expansível com módulo de transmissão sem fio. |
A padronização da instalação de medidores de vazão térmica afeta diretamente a precisão da medição, e o princípio fundamental é o de "trecho reto de tubulação reservado + profundidade de inserção correta". O medidor de vazão mássica térmica de inserção para ar requer a inserção no eixo da tubulação, e o comprimento da haste de medição é personalizado de acordo com o diâmetro do tubo. Caso não seja possível a inserção completa, o fabricante deve fornecer coeficientes de calibração para compensar os erros.
Medidor de vazão mássica térmica de inserção:
1. Seleção: Seções de tubulação reta são necessárias antes e depois do medidor de vazão, com seções de tubulação reta reservadas a montante de ≥ 10 vezes o diâmetro (10D), seções de tubulação reta reservadas a jusante de ≥ 5D, evitando fontes de perturbação, como cotovelos e válvulas;
2. Base fixa para instalação de medidor de vazão mássica do tipo inserção: A base (normalmente fornecida por um fornecedor como a silverinstruments.com) é soldada na parte superior da tubulação, garantindo que o eixo do furo passante seja perpendicular ao eixo da tubulação;
3. Conexão selada: Ao instalar uma válvula de esfera dedicada, devem ser utilizadas juntas de nylon para temperaturas do fluido abaixo de 100 °C e juntas de cobre para temperaturas acima de 100 °C. O selante de rosca Loctite 567 pode ser utilizado para a vedação;
4. Instalação da sonda de fluxo de massa térmica: Afrouxe a porca de retenção, insira a sonda na tubulação até a posição de posicionamento (a sonda normalmente fica no meio da tubulação), gire a haste de conexão para alinhar a seta com a direção do fluxo e aperte a porca;
5. Conexão elétrica para transmissor digital de vazão mássica térmica: Conecte o fio de sinal de 4-20mA de acordo com as instruções do manual da silverinstruments.com e assegure-se de que a blindagem e o aterramento sejam adequados para evitar interferência eletromagnética.
Instalação de medidor de vazão mássica térmica em linha:
O medidor de vazão térmica em linha é mais fácil de instalar em comparação com o medidor de vazão mássica térmica de inserção, e já vem pré-instalado em um trecho de tubulação específico de fábrica. Basta conectar a tubulação de acordo com a norma de flange (GB/T9119-2000) para garantir que o eixo da tubulação esteja horizontal com um erro de ≤± 2,5°. No entanto, é necessário retificar a tubulação antes e depois do medidor de vazão, assim como ocorre com os medidores de vazão de inserção.
A instalação de um medidor de vazão ultrassônico se concentra em "layout do transdutor + seção reta reservada na tubulação + blindagem do sinal". O modelo de medição por diferença de tempo exige a instalação simétrica dos transdutores a montante e a jusante, e o ângulo entre a direção de propagação da onda sonora e o eixo da tubulação deve atender aos requisitos do fabricante. Os pontos operacionais específicos incluem:
1. Trecho reto de tubulação: Reserve um trecho reto de tubulação de ≥ 10D a montante e ≥ 5D a jusante, e estenda-o ao se aproximar da fonte de perturbação;
2. Instalação dos transdutores: Os métodos em V e Z podem ser usados para o arranjo, garantindo que o caminho de propagação da onda sonora esteja desobstruído, e a superfície de instalação precisa ser polida e plana;
3. Proteção elétrica: A linha de sinal de 4-20mA e a linha de alimentação são instaladas separadamente, a camada de blindagem é aterrada em uma extremidade e a adaptação de impedância é de 0-1KW;
4. Depuração e Calibração: Após a instalação, parâmetros como diâmetro do tubo e espessura da parede precisam ser inseridos para otimizar a precisão da medição por meio de calibração no local.
Durante a instalação online, pode-se utilizar um punção específico para garantir a operação contínua. Durante a instalação com a máquina desligada, é necessário assegurar que o eixo de perfuração esteja concêntrico com a base. Caso o desvio seja muito grande, a abertura pode ser ampliada para permitir a folga de ajuste.
Para tubulações de pequeno e médio diâmetro (como 1/8”, 1/4” ou 1/2”) e para medições de vazão de alta precisão em pequenos volumes (como em laboratórios e setores pneumáticos), os medidores/controladores de vazão térmicos são os mais indicados.
Os medidores de vazão ultrassônicos apresentam mais vantagens em tubulações de grande diâmetro (DN80 ou superior), condições de trabalho de alta pressão (>4MPa) ou em instalações industriais com vibração severa (como saídas de compressores). O design sem partes móveis pode reduzir a frequência de manutenção.
Em cenários de monitoramento do consumo de energia, se for necessária a aquisição direta de dados de fluxo de massa, os modelos térmicos são mais adequados; se for preciso levar em consideração múltiplas medições de gás ou condições de alta flutuação de fluxo, a ampla faixa de taxa de bits do medidor de vazão ultrassônico é mais prática.
Se você não quiser cortar o encanamento ou fazer um furo para instalar um medidor de vazão de gás térmico no encanamento, pode considerar um medidor de vazão de gás ultrassônico.
Alguns usuários não desejam usar o medidor de vazão por muito tempo e só precisam medir a vazão temporariamente. Nesses casos, podem optar por um medidor de vazão de gás ultrassônico portátil.
No entanto, os medidores de fluxo de ar ultrassônicos sem contato são muito caros, portanto, o orçamento também é um fator crucial para os clientes.
Os medidores de vazão térmica requerem limpeza regular da sonda do sensor para evitar o acúmulo de óleo e poeira do ar comprimido, o que pode levar a uma diminuição na eficiência da condutividade térmica.
A chave para a manutenção da superfície de instalação do medidor de vazão ultrassônico é evitar que a formação de incrustações afete a transmissão das ondas sonoras. Ao mesmo tempo, o estado da conexão do cabo de sinal deve ser verificado regularmente para evitar desvios na medição causados por folgas.
Ambos os tipos de equipamento requerem calibração regular da precisão do sinal de saída de 4-20mA para garantir a sincronização com os dados do sistema de controle.
A falha mais comum em medidores de vazão térmicos é a "deriva de medição", frequentemente causada por contaminação da sonda ou por um trecho reto insuficiente da tubulação. A limpeza da sonda e o reajuste da posição de instalação podem resolver o problema. Se não houver sinal de saída, verifique a continuidade da fonte de alimentação e do circuito de 4-20 mA. Se o medidor de vazão ultrassônico apresentar um "sinal fraco", isso geralmente se deve ao desvio na instalação do transdutor ou à presença de bolhas na tubulação. O ajuste do ângulo do transdutor ou a remoção do ar podem restaurar o funcionamento normal.
Quando o teor de umidade do ar comprimido é muito alto, o sensor térmico fica propenso à condensação, o que afeta sua precisão e exige a instalação de um dispositivo de secagem; os medidores de vazão ultrassônicos precisam de atenção ao isolamento para evitar que o gelo na parede interna da tubulação bloqueie a propagação das ondas sonoras.
Não existe superioridade ou inferioridade absoluta entre medidores de vazão de ar térmicos e ultrassônicos. O ponto principal é a adequação às condições de trabalho: os medidores de vazão térmicos são selecionados para alta precisão, baixo custo e monitoramento de vazão a longo prazo, enquanto os medidores de vazão de gás ultrassônicos são selecionados para grandes vazões, altas pressões e grandes diâmetros ou para medição portátil de vazão de ar, porém com custo muito elevado. Durante a instalação, siga rigorosamente os requisitos de seção transversal da tubulação e as especificações de vedação, e mantenha a limpeza e a calibração do sinal do sensor de focalização diariamente para maximizar a estabilidade do equipamento e a precisão da medição.
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