Melhorando a precisão do sensor de fluido para medição precisa de processos industriais

Ligue o carro, encha um copo de água da torneira ou misture óleo de cozinha na massa do brownie e você estará usando um líquido que foi cuidadosamente extraído, processado e avaliado quanto à qualidade. A surpreendente previsão e tecnologia necessárias para tornar esses fluidos utilizáveis ​​pelos consumidores muitas vezes estão fora de vista, mas requerem medição e monitoramento precisos.

Ao processar produtos farmacêuticos, como saber se um fluido é de alta qualidade? Se você trabalha com petróleo bruto, como saber quanto está extraindo? Se você estiver transportando água, como saber a vazão?

Perguntas como essas, que impactam a confiança e os resultados financeiros das empresas de água, alimentos, ciências biológicas e petróleo e gás, são abordadas pelos fabricantes de medidores de vazão instalados em tubulações e outros equipamentos. Na Endress+Hauser, as equipes de desenvolvimento de produtos trabalham para desenvolver e manter sensores precisos para uma variedade de substâncias que exigem diferentes métodos de medição.

Medindo Forças de Coriolis

Para determinar as propriedades de um fluido que viaja em uma tubulação, sensores projetados na Endress+Hauser medem os efeitos da força de Coriolis dentro de um dispositivo inserido na tubulação que consiste em um ou mais tubos de medição oscilantes.

O tubo é excitado antes de qualquer fluido entrar no dispositivo. Quando um fluido em repouso preenche o dispositivo, o tubo oscila uniformemente. Assim que o fluido começa a fluir através do tubo oscilante, o fluido começa a exercer uma força nas suas paredes. A oscilação do tubo de medição é vista como uma rotação em torno de um eixo pelas partículas do fluido. Como as partículas fluidas se movem em um referencial móvel, elas experimentam uma força inercial agindo perpendicularmente à direção do movimento e ao eixo de rotação - a força de Coriolis. Como a velocidade do fluxo em relação ao eixo de rotação tem direções opostas nas seções de entrada e saída, as forças induzidas atuam para desviar o tubo de forma assimétrica, causando uma mudança de fase ou atraso de tempo ao longo do tubo.

Diferentes seções do tubo começam a oscilar com um intervalo de tempo ou mudança de fase causada pelo componente de torção no movimento do tubo. Esta mudança de fase e a nova frequência de oscilação do tubo são uma função da vazão mássica nos tubos e da densidade do fluido, respectivamente. Assim, os sinais do medidor podem ser interpretados para medir o fluxo de massa ou volume e garantir que a quantidade desejada de fluido esteja sendo transportada.

Da mesma forma, um aumento na viscosidade do fluido leva a um aumento no amortecimento das oscilações. A frequência de oscilação é principalmente uma medida direta da densidade do fluido. Por exemplo, as oscilações serão mais rápidas, mas mais amortecidas com uma substância como o óleo (menor densidade e maior viscosidade) do que com um fluido como a água (maior densidade e menor viscosidade). A medição da frequência e do amortecimento das oscilações permite determinar a densidade e a viscosidade e monitorar a qualidade do processo relacionada ao fluxo do fluido. Os mesmos efeitos físicos se aplicariam a um objeto, como um cantilever, oscilando em um fluido em movimento.

Exemplo viscoacústico

Figura 1. Medidor de vazão Coriolis projetado na Endress+Hauser. (Imagem:COMSOL)
Dr. Vivek Kumar, especialista sênior em simulação numérica da Endress+Hauser Flow, a filial da Endress+Hauser que fabrica esses medidores de vazão (Figura 1), trabalha para melhorar o desempenho do sensor. Seu trabalho de modelagem ajudou sua equipe a compreender os efeitos acústicos, estruturais e de fluxo de fluidos em seus medidores de vazão em um nível profundo. A compreensão de como a interação fluido-estrutura e a vibroacústica afetam o desempenho de um sensor permitiu-lhes fazer vários ajustes no projeto para melhorar o desempenho e a qualidade do medidor.

A equipe começou sua análise numérica com um modelo viscoacústico para compreender o complexo amortecimento viscoso que ocorre quando um fluido viscoso flui através do tubo oscilante.
Figura 2. Resultados da simulação mostrando a mudança na frequência de oscilação do tubo para diferentes viscosidades de fluido e o deslocamento mecânico resultante (esquerda). Um exemplo visual de deformação do tubo devido ao movimento oscilante (direita). (Imagem:COMSOL)
Usando o software COMSOL Multiphysics®, eles analisaram os efeitos da viscosidade do fluido na frequência de oscilação do tubo. A Figura 2 mostra os resultados da simulação prevendo a frequência e também o deslocamento do tubo para fluidos de diferentes viscosidades. Com a capacidade de simular e compreender melhor os efeitos físicos que causam uma mudança na saída de frequência do medidor, a equipe consegue aproveitar esses efeitos para melhorar o desempenho do medidor. Neste caso, a variação no amortecimento do tubo é utilizada para compensar os efeitos da viscosidade no erro de densidade medido.

“Queríamos entender como diferentes fluidos afetariam o desempenho do sensor”, disse Kumar. “Usando simulação, conseguimos analisar diferentes casos e, por fim, otimizar o design do nosso dispositivo para ajudar nossos clientes a caracterizar as propriedades dos materiais para os fluidos que estão usando ou extraindo.”

Exemplo em microescala

Figura 3. Chip MEMS Coriolis usado para medição de densidade e viscosidade. À esquerda está o sensor completo preso por um alicate. À direita está o layout do chip dentro do dispositivo. (Imagem:COMSOL) Figura 4. Dois modos próprios do microcanal oscilante. A cor denota os níveis relativos de deslocamento de diferentes regiões do canal. (Imagem:COMSOL)
TrueDyne Sensors AG, uma subsidiária da Endress+Hauser Flow, desenvolve dispositivos MEMS baseados em um conceito semelhante. Eles projetam e testam sensores oscilantes para medir propriedades termofísicas de fluidos para diversos usos. A equipe desenvolve sensores para soluções específicas de clientes, por isso é essencial que eles saibam que tipo de osciladores proporcionariam a melhor sensibilidade para casos únicos.

O chip MEMS Coriolis (Figura 3) utiliza um microcanal vibratório independente que opera com o mesmo princípio do sensor de fluxo Coriolis maior. Como no caso das simulações Coriolis, uma análise de vibração precisa ser realizada no microcanal para determinar os modos próprios fundamentais e as taxas de oscilação das diferentes extremidades do canal de fluxo (Figura 4). Este sensor específico é usado para avaliar a densidade e a viscosidade de fluidos, como gases inertes, gás liquefeito de petróleo (GLP), combustíveis de hidrocarbonetos ou lubrificantes de resfriamento. Devido às suas dimensões, o sensor é adequado para medir quantidades muito pequenas de fluido.
Figura 5. Resultados térmicos mostrando a temperatura no chip MEMS Coriolis em 2D (parte superior) e 3D (parte inferior). (Imagem:COMSOL) Figura 6. Um medidor de vazão eletromagnético Promag W 400 sem entrada ou saída (0 x DN) projetado na Endress+Hauser. Os eletrodos são visíveis dentro do tubo. Um revestimento de poliuretano fornece isolamento elétrico entre o tubo e o líquido. (Imagem:COMSOL)
Um desafio específico em um dispositivo tão pequeno é que a alta tensão usada para acionar as excitações pode causar o aquecimento do dispositivo se houver falha elétrica. Dado este risco de segurança, realizaram uma análise térmica (Figura 5) para determinar onde o calor foi dissipado no chip e se o fluido ficaria demasiado quente. Foi confirmado que a temperatura não ultrapassou o limite graças à câmara de vácuo que circunda o canal de fluxo que minimizou a transferência de calor entre os eletrodos e o fluido.

Otimização de medidores de vazão eletromagnéticos

Outro tipo de medidor de vazão é o medidor de vazão eletromagnético, que utiliza a força de Lorentz. A força de Lorentz atua sobre partículas carregadas que se movem através de um campo magnético (Figura 6). Para esses medidores de vazão, as partículas são os íons de um líquido condutor, o movimento vem do líquido que flui através do tubo e o campo magnético é fornecido por um conjunto de bobinas que ficam acima e abaixo do tubo. O resultado é um potencial eletromagnético através do tubo, que pode ser medido com um par de eletrodos. O sinal normalmente é da ordem de algumas centenas de mV por m/s; se você acertar o projeto, o potencial medido é proporcional à velocidade do fluxo e independente da condutividade.

A simulação de medidores de vazão eletromagnéticos exige um software de modelagem multifísica para calcular o campo magnético gerado pelas bobinas e a distribuição da velocidade do fluxo na tubulação, e combiná-los para calcular o potencial elétrico (Figura 7). Os medidores de vazão eletromagnéticos são normalmente especificados com uma precisão de medição de algumas frações de um por cento, portanto, as simulações devem ser extremamente precisas. Na Endress+Hauser Flow, os especialistas em simulação Dr. Simon Mariager e Dr. Simon Triebenbacher usaram essas simulações para remover uma das principais limitações dos medidores de vazão eletromagnéticos:a sensibilidade ao perfil de vazão.
Figura 7. Modelo multifísico de um dispositivo eletromagnético. A corrente da bobina é mostrada como setas vermelhas e as linhas de corrente mostram a intensidade do campo magnético dentro do medidor de vazão. O gráfico de fatia colorido mostra a magnitude da velocidade na entrada do medidor de vazão. Este perfil de fluxo não homogêneo foi gerado por uma curva de 90 graus a montante (não mostrada). A meia fatia no centro mostra a função de peso muito mais homogênea do sensor de passagem total 0 x DN, indicando um projeto independente do perfil de fluxo e distúrbios relacionados. (Imagem:COMSOL)
Embora os medidores de vazão eletromagnéticos convencionais sejam surpreendentemente robustos, as alterações no perfil do fluxo – por exemplo, aquelas que ocorrem após uma curva na tubulação – resultam em erros de medição. Por esse motivo, os fabricantes recomendam que esses medidores de vazão tenham um determinado comprimento de entrada de tubo reto (normalmente 10 vezes o tamanho do diâmetro nominal) antes do sensor. No entanto, este projeto recomendado pode tornar a instalação de medidores de vazão eletromagnéticos um processo desafiador, pois eles estão disponíveis para tamanhos de tubos que variam de alguns milímetros a vários metros. Eliminar o comprimento da entrada foi o objetivo de um projeto de desenvolvimento recente na Endress+Hauser Flow. O trabalho exigia a otimização da função de peso do medidor de vazão. Teoricamente, isso exige que a rotação da função peso seja zero em todos os lugares, mas isso não é matematicamente possível com geometrias do mundo real.

Em vez disso, eletrodos de medição extras foram usados para fornecer os graus de liberdade necessários. Com isso, a equipe ainda precisava determinar quantos eletrodos seriam necessários e onde deveriam ser colocados. Eles usaram simulações do fluxo da tubulação após perturbações de fluxo, como curvas e válvulas, para prever o desempenho dos medidores de vazão eletromagnéticos em uma variedade de aplicações do mundo real e otimizar seu projeto a um ponto em que o novo medidor de vazão se tornasse virtualmente independente do perfil de fluxo.

Atendendo às necessidades da empresa e do cliente

Para a equipe de simulação da Endress+Hauser, as funcionalidades do software COMSOL Multiphysics® têm sido úteis em seu trabalho diário de P&D para otimizar e desenvolver dispositivos de medição de vazão. As análises multifísicas fornecem informações que reduzem o tempo e o esforço gerais gastos em testes e prototipagem e permitem produzir sensores da mais alta qualidade.

Christof Huber, principal especialista em tecnologia de sensores avançados da Endress+Hauser Flow, se sente inspirado quando vê como seus modelos resultam em mudanças nos designs dos dispositivos que melhoram a experiência dos clientes da Endress+Hauser. “Essas ferramentas são usadas para resolver os problemas dos clientes; vemos isso funcionando no campo, nossa inovação na prática; vemos o retorno, a razão pela qual estamos fazendo isso”, disse Huber.

Este artigo foi escrito por Rachel Keatley para COMSOL (Burlington, MA). Para mais informações, acesse aqui  .