Mecânica dos fluidos/Medidores térmicos

Medidores térmicos

Elemento primário

Nesses medidores, o fluido é aquecido eletricamente, e o fluxo provoca uma alteração no perfil de temperaturas que depende da vazão mássica de fluido. Geralmente usam uma ponte de Wheatstone (mostrada abaixo), com o voltímetro sendo substituído por um amplificador diferencial. A ponte está equilibrada se Se R₁ · R₃ = R_x · R₂.

Ponte de Wheatstone.

Nos medidores usados em fluxos laminares, os resistores R₁ e R₂ são fixos e os demais são imersos no fluxo, sendo R₃ a montante e R_x a jusante do aquecedor. O fluxo faz com que a temperatura em R₃ seja diferente da temperatura em R_x, o que resulta em R₃ ≠ R_x, devido à influência da temperatura na resistência elétrica do material, e a ponte se desequilibra, aparecendo uma tensão na entrada do amplificador diferencial. Uma escolha cuidadosa dos materiais permite a obtenção de um sinal linearmente proporcional à vazão mássica.

Uma alternativa a permitir que a temperatura varie é usar um sistema de regulação para manter a temperatura constante e medir a potência consumida pelo sensor, que será proporcional à vazão mássica do fluido.

Medidor térmico para fluxo laminar.

Esses medidores oferecem boa exatidão (1% a 0,5% do fundo de escala), mas só pode ser usado em substâncias cujo calor específico a pressão constante seja fixo e conhecido, e limpos de detritos que poderiam atrapalhar a condução de calor através das paredes da tubulação. Os medidores são normalmente usados para gases, sendo que, para vazões maiores que alguns g/h, é preciso colocar o medidor em um tubo auxiliar, paralelo. Já existem medidores cujos sensores podem ser limpos sem necessidade de parada e remoção.

Para fluxos turbulentos em tubulações, o comum é manter R₃ fora do fluxo e apenas R_x inserido, por meio de uma sonda. Para tubulações muito largas, são usados vários grupos de medição inseridos através de sondas, cada grupo consistindo em um aquecedor, uma massa metálica distante alguns milímetros, R₃ próximo ao aquecedor e R_x próximo à massa metálica; a diferença de temperatura entre os resistores será função da convecção e da dissipação de calor devida à vazão de fluido, mas a função não será linear, exigindo a implementação de conversões complexas no transmissor de vazão.

Anemômetro a fio quente com filamento único inserido no fluxo. É possível identificar os demais resistores da ponte na figura.

Para gases em laboratório, existe o anemômetro a fio quente, que conta com um ou dois filamentos aquecidos inseridos no fluxo. Esses filamentos são os resistores R₃ e R_x da figura.

Os medidores de vazão térmicos são mais usados para gases limpos em vazões baixas, como em dutos de exaustão; podem também trabalhar com líquidos. Oferecem alta rangeabilidade (100:1) e razoável exatidão (5% a 1% do fundo de escala).