O que é um medidor de vazão de orifício? Princípio de funcionamento, precisão, aplicações e seleção

O princípio parece simples, mas a medição confiável da vazão do orifício depende de mais coisas do que da própria placa. O diâmetro do furo, a relação beta, a condição da borda, a localização da tomada de pressão, a densidade do fluido, o número de Reynolds, o perfil de vazão a montante, o alcance do transmissor DP e a instalação influenciam o resultado.

Este guia explica o princípio de funcionamento do medidor de vazão de orifício, desde a restrição hidráulica até o sinal de vazão final, depois mostra o que afeta a incerteza de medição, onde a tecnologia funciona bem e o que os engenheiros devem verificar antes de especificar um sistema.

O que constitui um medidor de vazão de orifício?

Um medidor de orifício deve ser tratado como um sistema completo de medição de pressão-diferencial, e não como uma placa de metal instalada entre dois flanges.

Placa de orifício

A placa cria a restrição. Uma placa concêntrica convencional com arestas-aguçadas tem um furo circular centralizado no tubo. O tamanho do furo, a espessura, a borda a montante e a orientação de instalação devem corresponder à base de projeto usada para o cálculo do fluxo.

Diferentes geometrias de placas estão disponíveis para serviços específicos. O guia paraescolhendo um tipo de placa de orifíciofornece contexto adicional quando uma placa concêntrica padrão pode não ser adequada ao fluido.

Torneiras de pressão e conexões de impulso

As tomadas de pressão detectam a pressão estática nos lados a montante e a jusante da restrição. Tubulação ou passagens integradas transportam esses sinais de pressão para o instrumento de pressão diferencial.

O arranjo de rosqueamento faz parte do projeto de medição. Ela não pode ser movida arbitrariamente após o dimensionamento da placa porque a pressão varia com a posição em torno da restrição.

Transmissor de pressão diferencial

O elemento de medição secundário detecta a diferença entre os lados de alta-pressão e baixa-pressão. Um adequadotransmissor de pressão diferencialconverte essa diferença de pressão mecânica em um sinal eletrônico utilizável.

De forma mais ampla,configurações do transmissor de pressãodeve ser selecionado de acordo com a pressão do processo, temperatura, amplitude necessária, condições ambientais e requisitos do sistema-de controle.

Como funciona um medidor de vazão de orifício?

1. Fluido se aproxima da restrição

A montante da placa, o fluido ocupa toda a seção transversal-do tubo. Para uma medição padronizada, a vazão que se aproxima deve atender às condições de instalação exigidas pelo método de cálculo escolhido. Cotovelos, válvulas e outros distúrbios próximos podem alterar o perfil de velocidade antes que o fluido atinja o orifício.

2. A velocidade aumenta através do orifício

O furo fornece menos área de fluxo do que o tubo. Para manter a continuidade, o fluido acelera ao passar pela abertura.

Essa aceleração é fundamental para a medição-de fluxo de pressão diferencial. O medidor não mede diretamente a velocidade na placa; em vez disso, mede a mudança de pressão associada à aceleração.

3. Quedas de pressão estática

À medida que a velocidade aumenta, a pressão estática diminui. O princípio de Bernoulli fornece a relação física básica entre pressão, velocidade e elevação para um fluxo idealizado, enquanto os cálculos práticos de orifícios adicionam coeficientes que levam em conta o comportamento real do fluido.

A pressão a montante é, portanto, superior à pressão medida no lado a jusante da restrição.

4. Uma Vena Contracta se forma a jusante

A corrente de fluido não se expande imediatamente até o diâmetro total do tubo após cruzar a placa. Ele continua a se contrair por uma curta distância a jusante. O local onde o jato atinge sua área-de seção transversal mínima é chamado deveia contraída.

Após este ponto, o fluxo se expande e alguma pressão estática é recuperada. A recuperação não é completa porque a separação e a turbulência dissipam a energia mecânica. Esta porção não recuperada aparece como perda de pressão permanente.

5. O sistema mede a pressão diferencial

O transmissor vê dois sinais de pressão:

ΔP = P1 − P2

onde P1 é a pressão de abastecimento a montante e P2 é a pressão de abastecimento a jusante.

À medida que o fluxo aumenta, a pressão diferencial aumenta. A relação, no entanto, não é linear.

6. A pressão diferencial é convertida em fluxo

Para uma geometria fixa e condições de processo estáveis, a relação simplificada é:

Q ∝ √ΔP

Isto tem uma importante consequência prática. Se a pressão diferencial cair para 25% do seu valor-de escala completa, o fluxo teórico correspondente será de cerca de 50% da escala completa, e não de 25%.

A função de raiz-quadrada pode ser executada dentro de um transmissor inteligente ou em um PLC, DCS ou computador de fluxo. Normalmente não deve ser aplicado duas vezes. EmersonGuia de engenharia de fluxo DPobserva especificamente que a extração-de raiz quadrada pode ser realizada no transmissor ou em outro local do sistema de controle e alerta contra sua execução em ambos os locais.

O sinal resultante também pode ser acumulado por umtotalizador de fluxoquando a aplicação requer volume ou massa total ao longo do tempo.

O que entra na equação real do fluxo do orifício?

A relação de raiz-quadrada explica o princípio, mas não é uma equação completa de dimensionamento de engenharia. Os cálculos reais levam em conta a geometria e o comportamento do elemento primário e as propriedades do fluido.

Variáveis ​​importantes incluem:

• diâmetro do furo do orifício;
• diâmetro interno do tubo;
• pressão diferencial;
• densidade do fluido;
• coeficiente de descarga;
• razão beta;
• Número de Reynolds;
• fator de expansibilidade para fluidos compressíveis.

Coeficiente de Descarga

O coeficiente de vazão, comumente representado por C, representa a diferença entre um cálculo de vazão idealizado e a vazão real através da restrição. É influenciado pela geometria e pelo regime de fluxo, razão pela qual uma placa de orifício padrão não pode ser substituída por um furo aproximadamente semelhante e que produza a mesma base de cálculo.

A condição da borda da placa também é importante. Arredondamentos, depósitos, erosão ou danos mecânicos podem alterar o comportamento do fluxo local e, portanto, afetar o desempenho da medição.

Fator de Expansibilidade

Para líquidos, as alterações de densidade através do elemento de pressão diferencial são frequentemente pequenas o suficiente para tratar o fluido como essencialmente incompressível para o cálculo aplicável. O gás e o vapor comportam-se de maneira diferente.

À medida que um fluido compressível passa pela restrição, as alterações de pressão são acompanhadas por alterações de densidade. O fator de expansibilidade leva em conta este efeito no cálculo do orifício aplicável. Esta é uma das razões pelas quais o dimensionamento de gás e vapor requer mais informações do processo do que simplesmente o diâmetro do tubo e a vazão máxima.

O que é a proporção beta e por que isso é importante?

A relação beta, escrita como, é a razão entre o diâmetro do furo do orifício e o diâmetro interno do tubo:

= d / D

onde d é o diâmetro do furo do orifício e D é o diâmetro interno do tubo a montante.

Um furo menor em relação ao tubo cria uma restrição mais forte e geralmente produz mais pressão diferencial em um determinado fluxo. Um furo maior produz menos pressão diferencial e geralmente menos perda de pressão permanente.

Isso não significa que uma proporção beta muito pequena ou muito grande seja automaticamente melhor. A relação beta interage com o número de Reynolds, coeficiente de descarga, DP disponível, incerteza e sensibilidade da instalação. Deve ser calculado a partir das condições reais do processo, em vez de escolhido apenas para criar uma amplitude conveniente do transmissor.

Qual arranjo de torneira de pressão é usado?

A ISO 5167-2:2022 cobre placas de orifício padrão usadas com machos de flange, machos de canto e machos D e D/2. Oespecificação oficial ISO 5167-2também define geometria, condições de instalação e operação para placas padrão utilizadas em eletrodutos totalmente circulares.

Torneiras de flange

As conexões de pressão estão localizadas nos flanges a distâncias padronizadas próximas à placa. Este é um arranjo industrial comum.

Torneiras de canto

A pressão é detectada imediatamente adjacente às faces a montante e a jusante da placa.

Torneiras D e D/2

A torneira a montante está posicionada a um diâmetro do tubo a montante, enquanto a torneira a jusante está localizada a meio diâmetro do tubo a jusante.

Esses arranjos não fornecem simplesmente três maneiras diferentes de conectar a tubulação. A localização da torneira altera a pressão diferencial que está sendo medida, portanto a configuração da torneira deve corresponder ao método de cálculo usado para determinar a vazão.

O que afeta a precisão do medidor de vazão de orifício e a incerteza de medição?

É mais útil pensar na incerteza do sistema de medição completo do que atribuir um número genérico de precisão a cada medidor de orifício.

Geometria do Elemento Primário

O diâmetro do furo, o nivelamento da placa, a espessura, a condição-da aresta viva e o diâmetro do tubo influenciam a medição primária. Uma placa fabricada corretamente, mas instalada ao contrário, também pode produzir um resultado fora da base de projeto pretendida.

Perfil de fluxo

Cotovelos, válvulas parcialmente abertas, redutores e outros acessórios podem criar perfis de velocidade em espiral ou assimétricos. O efeito depende da perturbação, da sua distância da placa e da geometria do medidor.

É por isso que não existe uma afirmação universal útil de que cada medidor de orifício precisa exatamente do mesmo número de diâmetros de tubo a montante. Os requisitos de instalação padrão devem ser verificados para a configuração real da tubulação.

Número de Reynolds

O número de Reynolds descreve a relação entre os efeitos inerciais e viscosos no fluido que flui. Como o coeficiente de vazão está relacionado ao regime de vazão, o número de Reynolds faz parte do cálculo padronizado e dos limites de aplicabilidade.

A ISO 5167-2 especifica condições operacionais definidas e limites de aplicação, em vez de tratar o coeficiente da placa como independente do regime de fluxo.

Extensão do Transmissor DP

Um transmissor que funciona bem próximo à faixa operacional projetada pode contribuir proporcionalmente com mais incerteza quando a pressão diferencial se torna muito pequena.

Isto é importante porque o DP cai rapidamente à medida que o fluxo diminui. Se o fluxo for 30% do fluxo de projeto, a pressão diferencial será de apenas cerca de 9% do DP de projeto correspondente sob a relação quadrada simplificada.

Portanto, o desempenho-de baixo fluxo depende de mais do que a precisão nominal do transmissor impressa em uma folha de dados.

Torneiras de pressão e linhas de impulso

Torneiras bloqueadas, vazamentos, cabeçotes de líquido desiguais, gás preso ou condensado podem produzir uma pressão diferencial falsa antes mesmo de o transmissor processar o sinal.

É por isso que verificar o caminho completo da pressão costuma ser mais útil do que recalibrar imediatamente o transmissor quando uma leitura se torna instável.

Densidade e Compensação de Fluidos

Para condições variáveis ​​de gás ou vapor, a densidade pode variar o suficiente para afetar o fluxo calculado. Um sistema multivariável pode incorporar pressão estática e temperatura para que o cálculo reflita as mudanças nas condições do processo.

A calibração continua fazendo parte do processo geral de-gerenciamento de medição. O guia do site sobrecomo calibrar um medidor de vazãofornece mais informações, enquanto a instrumentação de pressão pode precisar de sua própria documentaçãointervalo de calibração do transmissor de pressão.

Onde os medidores de vazão de orifício são usados?

Fluxo Líquido

As placas de orifício podem medir muitos líquidos-limpos e monofásicos quando a perda de pressão e as condições de instalação são aceitáveis. Água, líquidos de processo e hidrocarbonetos são exemplos comuns.

Líquidos sujos requerem mais cuidado. Os depósitos podem alterar a geometria do furo, enquanto os sólidos podem corroer a borda ou obstruir as tomadas de pressão.

Fluxo de Gás

A medição de pressão-diferencial também é amplamente usada para gás. A compressibilidade e a variação de densidade, entretanto, devem ser consideradas. Um sistema destinado a relatar volume padrão ou fluxo de massa pode precisar de compensação de pressão e temperatura além de DP.

Os leitores que avaliam aplicações de gás podem continuar com o sitemedição de fluxo de gás industrialrecursos.

Fluxo de vapor

O Steam é um aplicativo de fluxo-DP importante porque o elemento primário não tem nenhum mecanismo de medição rotativa exposto ao processo de-alta temperatura.

A parte difícil muitas vezes não é a placa, mas o sistema de medição de pressão. Em arranjos convencionais de pernas úmidas, o condensado nas linhas de impulso deve ser gerenciado de forma que ambos os lados apresentem uma pressão de pressão estável e comparável ao transmissor. Inclinação deficiente da linha, pernas de condensado desiguais ou entrada de vapor no transmissor podem criar problemas de medição e confiabilidade.

A densidade do vapor também muda com as condições de operação, portanto, um sistema usado em uma ampla faixa de pressão ou temperatura pode exigir compensação. Tecnologias alternativas de vapor são discutidas no sitemedidor de fluxo de vaporseção.

Quando uma placa de orifício é uma má escolha?

Um sistema de orifício é atraente porque o elemento primário é simples e padronizado, mas suas compensações-são importantes.

• Alto custo de perda-de pressão permanente:se a energia da bomba ou do compressor for crítica, outro elemento primário poderá proporcionar melhor recuperação de pressão.
• Fluido abrasivo ou{0}formador de depósitos:erosão nas bordas e torneiras bloqueadas podem prejudicar a medição.
• Faixa operacional muito ampla:o baixo fluxo produz um DP muito pequeno, o que pode tornar o sistema completo menos adequado do que outra tecnologia.
• Pulsação forte:o escopo padrão ISO 5167-2 exclui fluxo pulsante.
• Tubulação a montante ruim:redemoinhos severos ou distorções de perfil-de velocidade podem tornar uma instalação padrão impraticável sem reprojetar.
• Fluxo de massa direto necessário:um sistema de orifício geralmente requer informações adicionais sobre pressão, temperatura e densidade, em vez de medir inerentemente a massa.

Orifício vs Venturi, Vortex, Turbina e Coriolis

A Medidor de vazão Venturivale a pena comparar especialmente quando a perda permanente de pressão é importante. As seções de convergência e recuperação graduais normalmente retêm mais pressão do que a expansão abrupta a jusante de um orifício.

Para serviços de vapor ou utilitários, compare a aplicação com ummedidor de fluxo de vórtice. Para líquidos limpos onde um rotor mecânico é aceitável, ofaixa de medidores de vazão de turbinafornece outra abordagem de medição. Onde o fluxo de massa direto for a prioridade, o guia do local para oPrincípio de funcionamento do medidor de vazão Coriolisexplica um método fundamentalmente diferente.

Os serviços líquidos condutivos também podem justificar a comparação com ummedidor de fluxo eletromagnético, especialmente quando é desejável eliminar uma restrição intrusiva.

Como selecionar um medidor de vazão de orifício

Uma especificação útil começa com o processo e não com o tamanho do flange.

1. Identifique o fluido e a fase.Indique se o processo é líquido, gasoso ou a vapor e se permanece monofásico em condições operacionais.
2. Fornece fluxo mínimo, normal e máximo.Um único fluxo de projeto não é suficiente para avaliar o DP de baixo-fluxo ou a rangeabilidade necessária.
3. Defina pressão e temperatura.Inclui condições normais e de projeto. Cálculos de gás e vapor também podem precisar desses valores para compensação de densidade.
4. Confirme o diâmetro interno do tubo.O tamanho nominal do tubo nem sempre é suficiente para um cálculo preciso do elemento-primário.
5. Determine a perda de pressão permanente permitida.Isso pode se tornar uma restrição de{0}energia do ciclo de vida, em vez de apenas um problema de instrumentação.
6. Selecione a geometria e o material da placa.Considere a limpeza do fluido, a corrosão, a temperatura e os padrões aplicáveis.
7. Estabeleça a proporção beta e projete o DP.Estes devem ser calculados em conjunto e não selecionados de forma independente.
8. Escolha o arranjo de torneira necessário.As torneiras devem corresponder à base de cálculo.
9. Dimensione o transmissor DP.Avalie o DP esperado em toda a faixa operacional real, não apenas na vazão máxima.
10. Defina compensação e produção.Determine se o sistema precisa de extração-de raiz quadrada, totalização, compensação de pressão/temperatura ou cálculo de fluxo-de massa.
11. Verifique o layout da tubulação.Revise as perturbações upstream, os requisitos-de operação direta, a localização do transmissor e o roteamento da linha-de impulso antes de finalizar o projeto.

Erros comuns de instalação e comissionamento

A Emerson descreve os sistemas de fluxo DP como uma combinação do elemento primário, transmissor de pressão diferencial e componentes de suporte, como tubulação de impulso, válvulas e conectores. Essa visualização-no nível do sistema é útil durante a solução de problemas porque uma placa boa não pode corrigir um sinal de pressão ruim. Veja Emersonvisão geral da medição de vazão por pressão diferencialpara obter informações técnicas adicionais.

Perguntas frequentes

Um medidor de vazão de orifício é um medidor de vazão de pressão diferencial?

Sim. A placa de orifício cria uma diferença de pressão controlada e o sistema de medição utiliza esse DP para determinar o fluxo.

Por que o fluxo varia com a raiz quadrada da pressão diferencial?

Para geometria fixa e condições de fluido estáveis, a pressão diferencial varia aproximadamente com o quadrado do fluxo. O fluxo calculado varia, portanto, com a raiz quadrada de DP.

Qual é a principal desvantagem de um medidor de orifício?

A perda permanente de pressão é uma das principais-compensações. A restrição abrupta e a separação do fluxo a jusante dissipam a energia que não é totalmente recuperada.

O que é proporção beta?

A relação beta é o diâmetro do furo do orifício dividido pelo diâmetro interno do tubo. Afeta o DP gerado, o comportamento de descarga, a perda de pressão e as condições de dimensionamento aplicáveis.

Um medidor de vazão de orifício pode medir o vapor?

Sim. O elemento principal é adequado para serviços-de alta temperatura, mas a medição precisa do vapor também depende da condição do vapor, do cálculo da densidade, das informações de pressão e temperatura e da instalação correta-da linha de impulso.

Cada placa de orifício requer o mesmo comprimento de tubo reto?

Não. O requisito depende da perturbação a montante, da relação beta, da disposição da tubulação e do padrão de cálculo aplicável. Um único número-de execução direta não deve ser aplicado a todas as instalações.

Com que frequência um medidor de vazão de orifício deve ser calibrado?

Não existe um intervalo universal para o sistema completo. A frequência de calibração deve refletir a criticidade da medição, a estabilidade do transmissor, as condições de serviço, o histórico de manutenção e os requisitos do sistema-de qualidade. A inspeção da placa e as verificações do caminho-de pressão são separadas da calibração do transmissor.

A ISO 5167 pode ser usada para todas as aplicações de orifício?

Não. A ISO 5167-2 define um escopo específico para placas de orifício e condições operacionais padronizadas. De acordo com o resumo padrão oficial, ele se aplica a conduítes completos, arranjos de tomadas de pressão-especificados, fluxo subsônico-monofásico e tamanho definido e faixas de números de Reynolds; o fluxo pulsante está fora do escopo declarado.

Conclusão

Um medidor de vazão de orifício converte uma restrição hidráulica controlada em uma pressão diferencial que pode ser relacionada ao fluxo. A placa cria a mudança de velocidade e pressão, as tomadas de pressão transmitem os sinais resultantes e o transmissor DP ou sistema de controle realiza a conversão necessária para indicação e totalização de vazão.

A medição confiável depende do sistema completo. A relação beta, o coeficiente de descarga, o número de Reynolds, a densidade do fluido, a condição da placa, o perfil do fluxo, o arranjo da tomada de pressão, a amplitude do transmissor e a compensação influenciam o resultado final.

Para uma nova aplicação, defina o fluido, a fase, a faixa de vazão operacional, a pressão, a temperatura, o diâmetro interno do tubo, a perda de pressão permitida e o desempenho de medição necessário antes de dimensionar a placa. Em seguida, verifique se a disposição da tubulação e o transmissor podem suportar a faixa DP esperada. Esse processo torna muito mais fácil determinar se um medidor de orifício é apropriado ou se a tecnologia Venturi, vórtice, turbina, eletromagnética ou Coriolis oferece uma melhor opção.