Princípio de medição de vazão/caudal eletromagnética

Medidores de vazão/caudal eletromagnéticos, também conhecidos como medidores de vazão/caudal magnéticos, existem desde 1939. O clérigo e inventor suíço Padre Bonaventura Thürlemann (1909 – 1997) foi o pioneiro na utilização industrial desse princípio de medição.

O fenômeno físico no qual a técnica se baseia, no entanto, é conhecido há muito mais tempo. O físico inglês Michael Faraday (1791 – 1867) percebeu que cargas elétricas são induzidas em uma haste metálica condutora de comprimento (L) movida a uma velocidade (v) por um campo magnético (B) e, consequentemente, uma tensão (U_e) de alguns milivolts é gerada entre as extremidades da haste. Faraday também descobriu que a magnitude da tensão induzida dessa forma é diretamente proporcional à velocidade (v) do movimento e à intensidade (B) do campo magnético:

U_e = B ⋅ L ⋅ v 

U_e: Tensão induzida
B: Força do campo magnético
L: Comprimento do condutor elétrico (corresponde ao espaçamento do eletrodo no tubo de medição)
v: Velocidade do movimento do condutor (corresponde à velocidade do fluido no tubo de medição)

Em um medidor de vazão/caudal eletromagnético (Fig. 1), o fluido condutor que flui dentro do tubo de medição corresponde à haste metálica no experimento de Faraday. O campo magnético de força constante é gerado por duas bobinas, uma em cada lado do tubo de medição. Dois eletrodos na parede interna do tubo detectam a tensão gerada à medida que o fluido flui por esse campo. O tubo de medição é isolado eletricamente do fluido e do eletrodo com um revestimento não condutor (por ex., poliuretano, borracha dura, PTFE, poliamida PFA, etc.). Dado um campo magnético de força constante (B), a equação U_e = B ⋅ L ⋅ v mostra que a tensão de medição induzida (U_e) é diretamente proporcional à velocidade da vazão/caudal (v). A seção transversal do tubo (A) é conhecida, portanto, a vazão/caudal volumétrica (Q_V) é facilmente calculada:

Q_v​: Vazão/caudal volumétrica
v: Velocidade da vazão/caudal
A: Secção transversal do tubo
U_e​: Tensão induzida
B: Força do campo magnético
L: Comprimento do condutor elétrico

A principal vantagem desse princípio de medição é que ele não é afetado pela pressão, temperatura e viscosidade. O perfil da vazão/caudal tem um efeito mínimo sobre os resultados da medição. Essas são propriedades que tornam os medidores de vazão/caudal eletromagnéticos extremamente atrativos para uma ampla variedade de aplicações industriais de medição.

Tubo de medição (a):
Em termos físicos, é importante que o tubo de medição não obstrua nem distorça o campo magnético, portanto, ele é feito de aço inoxidável.

Revestimento (b):
O revestimento é o isolante necessário entre os eletrodos e o tubo de medição, impedindo que a tensão induzida seja descarregada no tubo. A resistência física e química ao fluido também é uma propriedade importante do revestimento. Poliuretano, borracha dura e PFA/PTFE estão entre os materiais mais comumente usados.

Sistema de bobinas (c):
O campo magnético é gerado por duas bobinas de fio de cobre com núcleos magnéticos instaladas fora do tubo de medição.

Eletrodos (d₁–d₄):

• Eletrodos de medição (d₂, d₃) para detecção da tensão induzida. As condições do processo determinam o material do eletrodo, que pode ser aço inoxidável, hastelloy, tântalo ou platina.
• Eletrodo de referência ou de aterramento (d₁) para equalização de potencial entre medidor e fluido. Discos de aterramento separados (anéis) podem ser instalados para a mesma finalidade.
• Eletrodo de detecção de tubo vazio (d₄) para detecção de tubos de medição parcialmente cheios ou vazios. O transmissor dispara um alarme se o fluido deixar de molhar esse eletrodo.

O uso de uma corrente contínua (CC) pulsada é uma forma moderna e comprovada de gerar o campo magnético. Ela gera o que é conhecido como “campo CC pulsado”. A polaridade do campo magnético é periodicamente invertida, o que faz com que as tensões de medição consecutivas (U₊, U_–) nos eletrodos tenham sinais opostos (consulte a Fig. 4). A diferença obtida dos dois valores medidos corresponde à tensão induzida (U_vazão):

U_vazão: Tensão induzida
U₊: Tensão de medição positiva
U_-: Tensão de medição negativa

Dessa forma, as tensões de interferência são eliminadas do cálculo. A tensão medida resultante, que corresponde à velocidade média da vazão/caudal, é convertida em um sinal de vazão/caudal volumétrica pelos componentes eletrônicos e disponibilizada como sinais de saída padronizados (por ex., saída de corrente de 4-20 mA).