Aprimorando a Precisão de Sensores de Fluido para Medição Precisa de Processos Industriais

Ligue seu carro, encha um copo d'água da torneira, ou misture óleo de cozinha na massa do seu brownie, e você está usando um líquido que foi cuidadosamente extraído, processado e avaliado quanto à qualidade. O pensamento e a tecnologia surpreendentes que entram em tornar tais fluidos utilizáveis pelos consumidores estão frequentemente fora de vista, mas requerem medição e monitoramento precisos.

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

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

Medição de Forças de Coriolis

Para determinar as propriedades de um fluido viajando em um tubo, sensores projetados na Endress+Hauser medem os efeitos da força de Coriolis dentro de um dispositivo inserido no duto consistindo de 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 em 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 do fluido estão se movendo em um referencial em movimento, elas experimentam uma força inercial agindo perpendicular à sua direção de movimento e ao eixo de rotação — a força de Coriolis. Como a velocidade de fluxo relativa 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 um deslocamento de fase ou defasagem temporal ao longo do tubo.

Diferentes seções do tubo começam a oscilar com uma defasagem temporal ou deslocamento de fase causada pelo componente de torção no movimento do tubo. Este deslocamento de fase e a nova frequência de oscilação do tubo são função da vazão mássica nos tubos e da densidade do fluido, respectivamente. Portanto, os sinais do medidor podem ser interpretados para medir a vazão mássica ou volumétrica e garantir que a quantidade desejada de fluido está 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, oscilações serão mais rápidas mas mais amortecidas com uma substância como óleo (menor densidade e maior viscosidade) do que com um fluido como água (maior densidade e menor viscosidade). Medir a frequência e o amortecimento das oscilações torna possível determinar densidade e viscosidade, e monitorar a qualidade do processo relacionada ao fluxo do fluido. Os mesmos efeitos físicos se aplicariam a um objeto, como uma viga em balanço, 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 na Endress+Hauser Flow, o ramo 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 entender os efeitos acústicos, estruturais e de fluxo de fluido em seus medidores de vazão em um nível profundo. Entender como a interação fluido-estrutura e vibroacústica afetam o desempenho de um sensor permitiu que eles fizessem vários ajustes de design para melhorar o desempenho e a qualidade do medidor.

A equipe começou sua análise numérica com um modelo viscoacústico para entender o complexo amortecimento viscoso que ocorre quando um fluido viscoso flui através do tubo oscilante.

Figura 2. Resultados de simulação mostrando a mudança na frequência de oscilação do tubo para diferentes viscosidades de fluido e o deslocamento mecânico resultante (esquerda). Um exemplo visual da deformação do tubo devido ao movimento oscilatório (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 seus resultados de simulação prevendo a frequência e o deslocamento do tubo para fluidos de diferentes viscosidades. Com a capacidade de simular e entender melhor os efeitos físicos que causam um deslocamento 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 medida.

"Queríamos entender como diferentes fluidos afetariam o desempenho do sensor", disse Kumar. "Usando simulação, fomos capazes de analisar diferentes casos e, finalmente, otimizar nosso design de dispositivo para ajudar nossos clientes a caracterizar propriedades de 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, o sensor completo segurado por alicates. À direita, o layout do chip dentro do dispositivo. (Imagem: COMSOL)

Figura 4. Dois autovalores do microcanal oscilante. A cor denota os níveis de deslocamento relativo de diferentes regiões do canal. (Imagem: COMSOL)

A 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 termo-físicas de fluidos para muitos usos diferentes. A equipe desenvolve sensores para soluções específicas de clientes, então é essencial que eles saibam que tipo de osciladores forneceriam a melhor sensibilidade para casos únicos.

O chip MEMS Coriolis (Figura 3) utiliza um microcanal vibratório autossustentado que opera no 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 autovalores fundamentais e as taxas de oscilação das diferentes extremidades do canal de fluxo (Figura 4). Este sensor particular é usado para avaliar a densidade e viscosidade de fluidos, como gases inertes, gás de petróleo liquefeito (GPL), combustíveis hidrocarbonetos ou lubrificantes de refrigeração. Devido às suas dimensões, o sensor é adequado para medir quantidades muito pequenas de fluido.

Figura 5. Resultados térmicos mostrando temperatura no chip MEMS Coriolis em 2D (topo) e 3D (base). (Imagem: COMSOL)

Figura 6. Um medidor de vazão eletromagnético Promag W 400 sem trecho de 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 tubo e líquido. (Imagem: COMSOL)

Um desafio específico em um dispositivo tão pequeno é que a alta tensão usada para acionar as excitações poderia causar aquecimento do dispositivo se houver falha elétrica. Dado este risco de segurança, eles realizaram uma análise térmica (Figura 5) para determinar onde o calor era dissipado no chip e se o fluido ficaria muito quente. Confirmou-se que a temperatura não excedeu o limite graças à câmara de vácuo ao redor do canal de fluxo que minimizou a transferência de calor entre os eletrodos e o fluido.

Otimizando Medidores de Vazão Eletromagnéticos

Outro tipo de medidor de vazão é o medidor de vazão eletromagnético, que faz uso da força de Lorentz. A força de Lorentz age em partículas carregadas movendo-se através de um campo magnético (Figura 6). Para esses medidores, as partículas são os íons de um líquido condutor, o movimento vem do líquido fluindo pelo tubo, e o campo magnético é fornecido por um conjunto de bobinas 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 é tipicamente apenas na ordem de alguns centenas de mV por m/s; se você acertar o design, o potencial medido é proporcional à velocidade de fluxo e independente da condutividade.

A simulação de medidores de vazão eletromagnéticos requer software de modelagem multifísica para calcular o campo magnético gerado pelas bobinas e a distribuição de velocidade de fluxo no tubo, e combiná-los para calcular o potencial elétrico (Figura 7). Medidores de vazão eletromagnéticos são tipicamente especificados com precisão de medição de algumas frações de porcentagem, então as simulações devem ser extremamente precisas. Na Endress+Hauser Flow, especialistas em simulação Dr. Simon Mariager e Dr. Simon Triebenbacher usaram tais simulações para remover uma das principais limitações dos medidores de vazão eletromagnéticos: a sensibilidade ao perfil de fluxo.

Figura 7. Um 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 inhomogêneo 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 0 x DN de passagem total, indicando um design independente do perfil de fluxo e perturbações relacionadas. (Imagem: COMSOL)

Embora medidores de vazão eletromagnéticos convencionais sejam surpreendentemente robustos, mudanças no perfil de fluxo — por exemplo, aquelas ocorrendo após uma curva no duto — resultam em erros de medição. Por esta razão, os fabricantes recomendam que esses medidores tenham um certo comprimento de entrada de tubo reto (tipicamente 10 vezes o tamanho do diâmetro nominal) antes do sensor. No entanto, este design recomendado pode tornar a instalação de medidores de vazão eletromagnéticos um processo desafiador, pois estão disponíveis para tamanhos de tubo variando de alguns milímetros a vários metros. Eliminar o comprimento de entrada foi o objetivo de um recente projeto de desenvolvimento na Endress+Hauser Flow. O trabalho exigia otimizar a função de peso do medidor de vazão. Teoricamente, isso requer que o rotacional da função de 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 eram necessários e onde deveriam ser colocados. Eles usaram simulações do fluxo no tubo 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 design a um grau onde o novo medidor de vazão se tornou virtualmente independente do perfil de fluxo.

Atendendo às Necessidades da Empresa e dos Clientes

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 fluxo. As análises multifísicas fornecem a eles insights que reduzem o tempo e esforço geral gastos em testes e prototipagem e permitem produzir sensores da mais alta qualidade.

Dr. Christof Huber, Especialista Principal em tecnologia avançada de sensores na Endress+Hauser Flow, sente-se inspirado quando vê como seus modelos resultam em mudanças nos designs dos dispositivos que melhoram a experiência dos clientes da Endress+Hauser. "Estas ferramentas são usadas para resolver 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, visite aqui.