Medição de fluxo com calhas Parshall
A Medição de fluxo com calhas Parshall estilo muito diferente de medidor de fluxo de área variável é usado extensivamente para medir a taxa de fluxo através de canais abertos, como valas de irrigação. Se uma obstrução for colocada dentro de um canal, qualquer líquido que flui através do canal deve subir no lado a montante da obstrução. Ao medir o aumento do nível do líquido, é possível inferir a taxa de fluxo do líquido além da obstrução.
Medição de fluxo com calhas Parshall
A primeira forma de medidor de vazão de canal aberto é o vertedouro, que nada mais é do que uma barragem que obstrui a passagem de líquido pelo canal. Os três estilos de represa são mostrados na ilustração a seguir; o retangular, Trapezoidal e entalhe em V:
Um açude retangular tem um entalhe de forma retangular simples, como o nome indica. Um vertedouro Trapezoidal é muito parecido com um retangular, exceto que os lados verticais do entalhe têm uma inclinação de 4: 1 (elevação de 4, curso de 1; aproximadamente um ângulo de 14 graus da vertical). Um entalhe em V tem um entalhe triangular, normalmente medindo 60 graus.
Medidor de fluxo de canal aberto de uma represa
A seguinte fotografia mostra a água fluindo através de um vertedourofeito de placa de aço de 1/4 de polegada:
Em uma condição de fluxo zero através do canal, o nível do líquido estará na crista ou abaixo da crista (ponto mais baixo na abertura) do vertedouro. Conforme o líquido começa a fluir pelo canal, ele deve transbordar a crista do vertedouro para passar pelo açude e continuar a jusante no canal.
Para que isso aconteça, o nível do líquido a montante do açude deve subir acima da altura da crista do vertedouro. Esta altura do líquido a montante do vertedouro representa uma pressão hidrostática, muito parecida com a altura do líquido em tubos piezométricos representando as pressões em um fluxo de líquido através de um tubo fechado.
A altura do líquido acima da crista de um vertedouro é análoga ao diferencial de pressão gerado por uma placa de orifício. À medida que o fluxo de líquido aumenta ainda a pressão (altura manométrica) tornando maior a pressão gerada a montante do açude, forçando o nível do líquido a subir. Isso aumenta efetivamente a área da seção transversal da “garganta” do vertedouro à medida que um fluxo mais alto de líquido sai do entalhe do vertedouro (Nota).
Nota: As placas de orifício são medidores de vazão de pressão variável e área constante. Os rotâmetros são medidores de vazão de pressão constante e área variável. As represas são medidores de vazão de pressão variável e área variável. Como se poderia esperar, as funções matemáticas que descrevem cada um desses tipos de medidor de vazão são únicas!
Esta dependência da área de entalhe na taxa de fluxo cria uma relação muito diferente entre a taxa de fluxo e a altura do líquido (medida acima da crista) do que a relação entre a taxa de fluxo e a pressão diferencial em uma placa de orifício:
Onde,
Q = taxa de fluxo volumétrico (pés cúbicos por segundo – CFS)
L = largura da crista (pés)
θ = ângulo de entalhe em V (graus)
H = topo (pés)
Como você pode ver a partir de uma comparação de equações de fluxo características entre esses três tipos de vertedouro, a forma do entalhe do vertedouro tem um efeito fundamental na relação matemática entre a taxa de fluxo e a cabeça (nível de líquido a montante do açude, medido acima da altura da crista )
Desta forma é possível criar quase qualquer equação característica que gostaríamos, apenas moldando cuidadosamente o entalhe do vertedouro de alguma forma personalizada.
Um bom exemplo disso é o chamado barramento proporcional ou de Sutro, que é projetado para ter uma relação linear entre a carga e a taxa de fluxo:
Os vertedouros do tipo Sutro não são usados com muita frequência, devido à sua estrutura inerentemente fraca e tendência a entupir com detritos.
Um raro exemplo de um verteder Sutro aparece na seguinte fotografia, descarregando o fluxo de um lago em um riacho:
As placas de metal que formam a forma do açude são bastante grossas (cerca de 1/2 polegada) para dar ao açude resistência suficiente.
Uma boa prática de construção vista neste açude Sutro, mas recomendada em todos os projetos de açude, é chanfrar a borda a jusante da placa do açude de maneira muito semelhante a um perfil de placa de orifício padrão. A borda chanfrada fornece uma passagem de atrito mínimo para o líquido à medida que ele se derrama pela abertura do vertedor.
Uma variação do tema de um vertedor é outro dispositivo de canal aberto denominado calha. Se os açudes podem ser considerados placas de orifício de canal aberto, então as calhas podem ser consideradas tubos de venturi de canal aberto:
Como os vertedores , as calhas geram mudanças de altura do nível de líquido a montante, indicativas da taxa de fluxo. Um dos projetos de canal mais comuns é o canal Parshall, em homenagem ao seu inventor R.L. Parshall quando foi desenvolvido no ano de 1920.
As seguintes fórmulas relacionam a carga (altura do líquido a montante) à taxa de fluxo para calhas Parshall de fluxo livre:
Q = 0.992H1.547 garganta larga de 3 polegadas calha Parshall
Q = 2.06H1.58 calha Parshall com garganta larga de 6 polegadas
Q = 3.07H1.53 calha Parshall com garganta larga de 9 polegadas
Q = 4LH1.53 Calha Parshall com garganta de 1 pé a 2,5 m de largura
Q = (3,6875L + 2,5) H1,53 Calha Parshall com garganta de 3 a 50 pés de largura
Em geral, os canais são menos precisos do que os vertedores, mas têm a vantagem de serem autolimpantes inerentemente. Se o fluxo de líquido medido for drenagem ou água residual, uma quantidade substancial de detritos sólidos pode estar presente no fluxo, o que pode causar problemas repetidos de entupimento para os açudes. Em tais aplicações, as calhas são muitas vezes o elemento de fluxo mais prático para a tarefa (e mais preciso a longo prazo também, uma vez que mesmo o mais fino açude não será registrado com precisão uma vez contaminado por detritos).
Uma vez que um vertedor ou canal tenha sido instalado em um canal aberto para medir o fluxo de líquido, algum método deve ser empregado para detectar o nível de líquido a montante e traduzir essa medição de nível em uma medição de fluxo. Talvez a tecnologia mais comum para detecção de nível de vertedouro / canal seja ultrassônica.
Os sensores de nível ultrassônico são completamente sem contato, o que significa que não podem ser contaminados pelo líquido do processo (ou detritos no líquido do processo). No entanto, eles podem ser “enganados” por espuma ou detritos flutuando no topo do líquido, bem como ondas na superfície do líquido.
Calha Parshall
A fotografia a seguir mostra uma calha Parshall medindo o fluxo de efluente de uma estação de tratamento de esgoto municipal, com um transdutor ultrassônico montado acima do meio da calha para detectar o nível de água fluindo:
Uma vez que o nível de líquido é medido com sucesso, um dispositivo de computação é usado para traduzir essa medição de nível em uma medição de fluxo adequada (e em alguns casos até mesmo integrar essa medição de fluxo em relação ao tempo para chegar a um valor para o volume total de líquido passado através do elemento , de acordo com a relação de cálculo V = ∫ Q dt + C).
Uma técnica para fornecer uma superfície de líquido limpa e “silenciosa” (parada) para medir o nível é chamada de poço de acalmamento. Esta é uma câmara de topo aberto conectada ao canal da represa / calha por um tubo, de forma que o nível do líquido no poço de acalmamento corresponda ao nível do líquido no canal.
Medição de fluxo de canal
A ilustração a seguir mostra um poço de tranqüilização conectado a um canal de represa / calha, com a direção do fluxo de líquido no canal sendo perpendicular à página (ou seja, vindo em direção aos seus olhos ou se afastando de seus olhos):
Para desencorajar o entupimento da passagem que conecta o poço de tranqüilização ao canal, uma pequena taxa de fluxo de água limpa pode ser introduzida no poço. Isso forma um fluxo de purga constante para o canal, liberando os detritos que, de outra forma, poderiam entrar na passagem de conexão para obstruí-la.
Observe como a água de purga entra no poço de acalmamento através de um tubo submerso, de modo que não cause respingos na superfície da água dentro do poço, o que pode causar problemas de medição para o sensor ultrassônico:
Sensor ultrassônico de fluxo barreira
Uma vantagem significativa que represas e calhas têm sobre outras formas de medição de fluxo é a rangeabilidade excepcionalmente alta: a capacidade de medir faixas muito amplas de fluxo com uma amplitude de pressão (altura) modesta. Outra forma de afirmar isso é dizer que a precisão de um açude ou calha é bastante alta, mesmo com taxas de fluxo baixas.
No início desta seção, você viu uma representação de três imagens do fluxo de líquido através de um açude retangular. À medida que a taxa de fluxo de fluido aumentou, também aumentou a altura (cabeça) do líquido a montante do açude:
Medição de fluxo de vertedouro
A altura do líquido a montante do açude depende da taxa de fluxo (volumétrico Q ou massa W), bem como da área efetiva do entalhe através do qual o fluido deve passar. Ao contrário de uma placa de orifício, esta área muda com a taxa de fluxo em ambos os canais e calhas.
Uma maneira de visualizar isso por comparação é imaginar um açude agindo como uma placa de orifício elástica, cuja área de furo aumenta com a taxa de fluxo. Esta área de entalhe dependente do fluxo exibida por ambos os açudes e calhas significa que esses dispositivos se tornam mais sensíveis às mudanças no fluxo conforme a taxa de fluxo se torna menor.
Uma comparação de gráficos de função de transferência para elementos de cabeça de tubo fechado, como placas de orifício e tubos de venturi versus barragens e calhas mostra esta notável diferença nas características:
Olhando para o gráfico da placa de orifício / tubo de venturi próximo ao canto inferior esquerdo, você pode ver como pequenas mudanças no fluxo resultam em mudanças extremamente pequenas na altura manométrica (pressão diferencial), porque a função tem uma inclinação muito baixa (pequeno dH / dQ) nesse final.
Em comparação, um açude ou canal produz mudanças relativamente grandes na altura manométrica (elevação do líquido) para pequenas mudanças no fluxo perto da extremidade inferior da faixa, porque a função tem uma inclinação muito acentuada (grande dH / dQ) nessa extremidade.
A vantagem prática que isso dá aos açudes e calhas é a capacidade de manter alta precisão de medição de fluxo em taxas de fluxo muito baixas – algo que um elemento de orifício fixo simplesmente não pode fazer.
É comumente entendido na indústria que medidores de vazão de placa de orifício tradicionais não mantêm uma boa precisão de medição muito abaixo de um terço de seu fluxo de faixa total (uma rangeabilidade ou redução de 3: 1), enquanto barreiras (especialmente o design de entalhe em V) podem alcançar muito maior turndown (até 500: 1 de acordo com algumas fontes).