Mecânica dos fluidos/Medidores por efeito Coriolis
Medidores por efeito Coriolis
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Esses medidores exploram o efeito da força de Coriolis, que é uma força inercial que atua sobre um corpo em movimento em um referencial não-inercial rotativo. O valor dessa força, considerando um referencial rotativo, é dado por
onde m é a massa do corpo, v é sua velocidade linear e ω é a velocidade angular do referencial. A figura abaixo mostra como o movimento linear de uma partícula em um referencial inercial transforma-se em um movimento curvo quando o referencial considerado é o disco que gira (o ponto vermelho).
Se a partícula estivesse confinada em um tubo que conduzisse até o círculo vermelho, ela exerceria uma força sobre a parede lateral do tubo dada pela fórmula acima. Medindo essa força, direta ou indiretamente, teremos o valor da vazão mássica de fluido no tubo.
O medidor rotativo consiste em dois tubos em forma de U que são postos em rotação a uma velocidade angular constante. O fluxo é dividido de forma a passar pelos dois tubos, conforme mostra a figura acima. Pode-se ver que o vetor velocidade angular aponta no sentido contrário ao fluxo. Em cada tubo, o fluxo em um dos braços do U se afasta do centro geométrico do movimento de rotação, e se aproxima no outro. Quando os tubos estão posicionados no plano da figura, por exemplo, o vetor força de Coriolis aponta para o observador no braço esquerdo do tubo superior e no braço direito do tubo inferior, e no sentido oposto nos demais braços; no braço direito de cada tubo, portanto, a força estará no sentido da rotação e, no braço esquerdo, estará no sentido contrário à rotação. Em cada tubo aparecerá, portanto, um binário de forças que tende a torcê-lo. Essa torção é proporcional à força F, que é proporcional à velocidade angular dos tubos e à velocidade linear do fluido, e, portanto, à vazão mássica. A força de torção é medida por meio de sensores piezoelétricos cujo sinal gerado é convertido para fornecer o valor da vazão mássica do fluido.
O medidor vibratório não gira. Os tubos vibram com frequência f em sentidos opostos. A fórmula da força de Coriolis pode ser usada, se considerarmos a frequência ω como uma função senoidal do tempo. Em cada tubo aparecerá uma torção, que estará no inverso um do outro, provocando alteração na distância entre os tubos. Essa distância pode ser medida por sensores de proximidade de precisão. Os medidores vibratórios são os mais usados na indústria, por ocuparem menos espaço e por oferecerem maior exatidão na medida. Os tubos podem ter formas diversas, existindo inclusive tubos em espiral.
Existe também o medidor vibratório de tubo reto, que funciona de forma um pouco diferente. Neste medidor, existe apenas um tubo, que é posto a vibrar. Sensores de proximidade são colocados próximos a cada extremidade do tubo. Na ausência de fluxo, o tubo assumirá a forma de uma senóide de amplitude A e comprimento de onda 2L, onde L é o comprimento do tubo. Na presença de fluxo, cada uma das extremidades se comporta como um centro de rotação para o fluido. Considerando um tubo horizontal e fluxo da esquerda para a direita, no lado esquerdo o fluido se afasta do centro de rotação, que é a extremidade esquerda do tubo, e o inverso ocorre no outro lado. No lado esquerdo do tubo aparecerá uma força de Coriolis perpendicular ao tubo e apontando para fora e no lado direito aparecerá uma força de Coriolis apontando para dentro. Essa combinação de forças provocará uma deformação do tubo, fazendo com que a amplitude da senóide seja diferente em cada lado. Os medidores de tubo reto são muito usados nas indústrias alimentícia e farmacêutica, devido à facilidade de instalação e de limpeza interna.
Os medidores por efeito Coriolis fornecem uma leitura direta da vazão mássica com grande precisão (0,1% do fundo de escala para líquidos e 0,35% para gases em alta pressão) e mediana rangeabilidade (10:1). Além disso, permitem a medição conjunta da densidade e da viscosidade do fluido. Como desvantagens, apresentam a incapacidade de trabalhar com grandes vazões (máximo a 700 t/h em tubos de 8") e com gases em baixas pressões, além de produzirem elevada perda de carga na instalação.