A medição de vazão é a quantificação do movimento macroscópico de um fluido. A vazão pode ser medida de diferentes maneiras por dispositivos chamados medidores de vazão. Medidores de vazão volumétrica quantificam o fluxo volumétrico, enquanto medidores de vazão mássica quantificam a vazão mássica.
Entre os tipos de medidores de vazão empregados na indústria estão: medidores por obstrução, de pressão diferencial ou área variável; medidores inferenciais, como os do tipo turbina; medidores eletromagnéticos; medidores de deslocamento positivo, que acumulam um volume fixo de fluido e contam quantas vezes esse volume é preenchido; medidores baseados na dinâmica do fluido, como os de desprendimento de vórtices; anemômetros; medidores ultrassônicos.
Os métodos de medição que não empregam deslocamento positivo costumam determinar a vazão indiretamente a partir das forças produzidas pelo escoamento ao atravessar uma restrição conhecida. A vazão também pode ser obtida pela medição da velocidade do fluido em uma área conhecida. Em vazões muito grandes, métodos com traçadores podem determinar a vazão a partir da alteração da concentração de um corante ou radioisótopo.
Muitos medidores fornecem a vazão instantânea e também podem registrar a quantidade acumulada de fluido que passou pelo sistema. Essa quantidade é obtida pela integração da vazão ao longo do tempo.
Tipos e unidades de medição A vazão de gases e líquidos pode ser expressa por grandezas físicas como fluxo volumétrico ou vazão mássica. No Sistema Internacional de Unidades, essas grandezas podem ser dadas, respectivamente, em metros cúbicos por segundo e quilogramas por segundo. Elas se relacionam pela densidade do material. Em condições usuais de engenharia, a densidade dos líquidos varia muito menos com a pressão e a temperatura que a densidade dos gases. Nos gases, essas duas grandezas, além da composição, precisam ser consideradas com maior cuidado.
A vazão também pode ser expressa como vazão molar, especialmente para gases.
Quando gases ou líquidos são transferidos por seu conteúdo energético, como na venda de gás natural, a vazão também pode ser expressa como fluxo de energia, por exemplo em gigajoules por hora. O fluxo de energia é o fluxo volumétrico multiplicado pelo conteúdo energético por unidade de volume, ou a vazão mássica multiplicada pelo conteúdo energético por unidade de massa. Em geral, ele é derivado da vazão mássica ou volumétrica por um computador de vazão.
Em engenharia, o fluxo volumétrico costuma ser representado pelo símbolo , enquanto a vazão mássica é representada por .
Para um fluido de densidade , as vazões mássica e volumétrica relacionam-se por .
Gases Os gases são compressíveis e alteram seu volume quando submetidos a pressão, aquecimento ou resfriamento. Um volume de gás em determinadas condições de pressão e temperatura não equivale ao mesmo volume desse gás sob outras condições. Por esse motivo, distingue-se a vazão "real" que atravessa um medidor da vazão "padrão" ou "de base". Unidades métricas empregadas incluem metros cúbicos por hora nas condições reais, metros cúbicos padrão por segundo e milhares de metros cúbicos padrão por hora. As condições de referência associadas a uma vazão padrão precisam ser especificadas.
A vazão mássica de um gás pode ser medida diretamente por instrumentos como medidores de Coriolis e medidores térmicos de vazão mássica, além de sistemas de controle de vazão mássica apropriados. Medidores ultrassônicos, por sua vez, medem normalmente a velocidade ou o fluxo volumétrico do gás. Para obter a vazão mássica a partir de uma medição volumétrica, é necessário conhecer ou medir a densidade do gás, que pode ser calculada a partir da pressão, temperatura e composição.
Líquidos Para líquidos, as unidades variam conforme a aplicação e o setor. Podem ser usados litros por segundo, litros por metro quadrado por hora ou metros cúbicos por segundo. Na oceanografia, uma unidade comum para medir o transporte volumétrico, como a quantidade de água transportada por uma corrente, é o sverdrup, de símbolo Sv, equivalente a 106 m³/s.
Elemento primário de vazão Um elemento primário de vazão é um dispositivo inserido no fluido em movimento que produz uma propriedade física relacionada de maneira previsível à vazão. Uma placa de orifício, por exemplo, produz uma queda de pressão que depende do quadrado do fluxo volumétrico através do orifício. O elemento primário de um medidor de vórtices produz uma sequência de oscilações de pressão. Em geral, a propriedade física produzida pelo elemento primário é mais fácil de medir do que a própria vazão. As características do elemento e a fidelidade da instalação prática às condições assumidas durante a calibração afetam a exatidão da medição.
Medidores mecânicos Um medidor de deslocamento positivo pode ser comparado a um balde e um cronômetro. O cronômetro é iniciado quando o escoamento começa e parado quando o balde atinge sua capacidade. O volume dividido pelo tempo fornece a vazão. Para medições contínuas, é necessário um sistema que encha e esvazie repetidamente volumes conhecidos sem interromper o escoamento na tubulação. Esses deslocamentos volumétricos podem ser produzidos por pistões alternativos em cilindros, dentes de engrenagens que se encaixam junto à parede interna do medidor ou cavidades progressivas criadas pela rotação de engrenagens ovais ou de um parafuso helicoidal.
Medidor de pistão ou pistão rotativo Por serem empregados na medição doméstica de água, os medidores de pistão, também chamados de medidores de pistão rotativo ou de deslocamento semipositivo, estão entre os dispositivos de medição de vazão mais usados no Reino Unido e são empregados em quase todos os tamanhos de medidor de até 40 mm. O princípio de funcionamento baseia-se em um pistão que gira dentro de uma câmara de volume conhecido. A cada rotação, uma quantidade determinada de água atravessa a câmara. Por meio de um mecanismo de engrenagem e, em alguns casos, de acionamento magnético, o movimento é transmitido a um mostrador de ponteiro e a um registro semelhante a um odômetro.
Medidor de engrenagens ovais miniatura|direita|Medidor de vazão de deslocamento positivo do tipo engrenagem oval. O fluido força a rotação das engrenagens acopladas. Cada volta corresponde a um volume fixo de fluido. A contagem das rotações fornece o volume total e a velocidade de rotação é proporcional à vazão.
Um medidor de engrenagens ovais é um medidor de deslocamento positivo que usa duas ou mais engrenagens oblongas dispostas para girar em ângulos retos entre si, formando uma configuração semelhante à letra T. O medidor possui dois lados, que podem ser chamados de A e B. O fluido não passa pelo centro, onde os dentes das duas engrenagens permanecem engrenados. Em um dos lados, A, os dentes fecham a passagem porque a engrenagem alongada se projeta para dentro da câmara de medição. No lado B, uma cavidade contém um volume fixo de fluido.
À medida que o fluido empurra as engrenagens, elas giram e liberam pela saída o fluido contido na câmara de medição do lado B. Ao mesmo tempo, o fluido que entra é conduzido à câmara do lado A, que passa a ficar aberta. Em seguida, os dentes do lado B fecham a entrada desse lado. O ciclo se repete enquanto as engrenagens giram e o fluido atravessa alternadamente as câmaras de medição. Ímãs permanentes instalados nas engrenagens rotativas podem transmitir um sinal a uma chave reed elétrica ou a um transdutor de corrente. Embora sejam anunciados com elevados níveis de desempenho, esses medidores geralmente não alcançam a mesma precisão do projeto de palhetas deslizantes.
Medidor de engrenagens Os medidores de engrenagens diferem dos de engrenagens ovais porque suas câmaras de medição são formadas pelos espaços entre os dentes. Esses espaços dividem o fluxo de fluido. À medida que as engrenagens se afastam da entrada, a parede interna do medidor fecha a câmara e retém uma quantidade fixa de fluido. A saída fica na região onde as engrenagens voltam a se encontrar. O fluido é expelido quando os dentes se engrenam e reduzem os espaços disponíveis a um volume próximo de zero.
Engrenagem helicoidal Os medidores de engrenagens helicoidais recebem esse nome pela forma de suas engrenagens ou rotores. Os rotores têm a forma de uma hélice. O fluido entra nos compartimentos formados entre eles e provoca sua rotação. O comprimento do rotor é suficiente para manter entrada e saída separadas, impedindo uma passagem livre do líquido. Os rotores helicoidais acoplados criam uma cavidade progressiva que se abre para admitir o fluido, fecha-se e volta a se abrir no lado a jusante para liberá-lo. O processo ocorre de maneira contínua e a vazão é calculada a partir da velocidade de rotação.
Medidor de disco nutante Este sistema é muito usado na medição do abastecimento de água em residências. O fluido, geralmente água, entra por um lado do medidor e atinge um disco montado de maneira excêntrica. O disco precisa então executar uma nutação em torno do eixo vertical, pois suas partes superior e inferior permanecem em contato com a câmara. Uma divisória separa as câmaras de entrada e saída. O movimento do disco fornece uma indicação direta do volume de líquido que atravessou o medidor. O fluxo volumétrico é indicado por um conjunto de engrenagens e registro acoplado ao disco. O sistema pode medir a vazão com precisão de cerca de 1%.
Medidor de turbina O medidor de turbina, mais precisamente uma turbina axial, converte a rotação mecânica da turbina provocada pelo escoamento do líquido em uma indicação legível de vazão. Em geral, todo o escoamento passa ao redor da turbina.
A roda da turbina fica no caminho do fluido. O fluido em movimento atinge as pás, exerce força sobre suas superfícies e coloca o rotor em movimento. Quando se estabelece uma velocidade de rotação constante, essa velocidade é proporcional à velocidade do fluido dentro da faixa operacional do instrumento.
Medidores de turbina são usados para medir vazões de gás natural e de líquidos.American Gas Association, AGA Report No. 7: Measurement of Natural Gas by Turbine Meters, revisão de fevereiro de 2006. Em vazões baixas, eles são menos precisos que medidores de deslocamento e de jato. O elemento de medição, porém, não ocupa nem restringe fortemente toda a passagem. O escoamento geralmente atravessa o medidor em linha reta, permitindo vazões maiores e perdas de pressão menores que as encontradas em medidores de deslocamento. São usados em grandes consumidores comerciais, sistemas de proteção contra incêndio e como medidores principais em sistemas de distribuição de água. Filtros costumam ser instalados antes do medidor para proteger o elemento de medição contra cascalho e outros detritos que possam entrar na rede.
Medidores de turbina estão disponíveis em tubulações de cerca de 4 a 30 cm de diâmetro ou maiores. Seus corpos costumam ser fabricados em aço inoxidável, bronze, ferro fundido ou ferro dúctil. Os elementos internos podem ser de plástico ou de ligas metálicas resistentes à corrosão. Esses medidores apresentam boa exatidão em suas condições normais de operação, mas são bastante afetados pelo perfil de escoamento e pelas características do fluido.
Medidores de turbina costumam ser mais adequados a fluidos de baixa viscosidade, pois partículas grandes podem danificar o rotor. Em instalações nas quais partículas atravessam a tubulação, pode ser preferível um medidor sem partes móveis, como um medidor eletromagnético.