O termo medidores mecânicos é adoptado para descrever em que

O termo medidores mecânicos é adoptado para descrever em que existe um mecanismo no seio do
caudal de fluido, que se move continuadamente á passagem do fluido e cuja velocidade do mesmo
movimento é proporcional á velocidade do fluido que está a ser medido.
Referindo o principio de operação destes medidores eles são também frequentemente designados por
medidores de quantidade. Para a medição industrial de fluxos de água através de condutas fechadas, a
medição através de medidores mecânicos foi a primeira a ser desenvolvida, antecipando-se a outros
tipos de medidores comerciais em uma série de décadas. O primeiro medidor deste tipo a aparecer no
mercado data de 1850, no entanto a patente dos mesmos foi tirada em 1825.
A aparente simplicidade de medir fluxos de fluido duma forma pouco dispendiosa, colocando um
elemento móvel no seio do fluido, conduziu a um largo número de patentes (só em Ingalterra 989 até ao
final de 1890) no entanto alguns nunca deram frutos, mas outros tornaram-se grandes sucessos
comerciais. Enquanto o princípio de funcionamento dos medidores mecânicos é bastante elementar, a
barreira para o sucesso dos mesmos, em muitos casos é uma barreira mecânica e metalúrgica, induzindo
uma dificuldade económica na selecção dos materiais, levando a uma infinidade de combinações.
Em geral o desenvolvimento que tem tido lugar no design e fabricação destes medidores tem sido
baseado em tentativas e erro, tal como em resultados da experiência prática de investigadores
individuais. O principal objectivo desta pesquisa é obter uma maior exactidão e amplitude, tal como
reduzir custos e efeitos de corrosão entre outros.
O principal objectivo dos medidores mecânicos é dar valores para pequenos fluxos de fluido, de uma
forma relativmente exacta a baixos custos, e com custos tambem baixos para a instalação e manutenção
dos mesmos. No entanto com o crescimento do uso de processos de controlo industriais estas formas
de medidores estas formas de medidores são agora apenas utilizadas para estas aplicações; o elemento
de medição do instrumento, isto é, o contador de porção tem sido adaptado com o apropriado gerador
eléctrico. Deste modo os medidores mecânicos apenas funcionam como transmissores da quantidade de
fluido medida para uma mesa ou para um painel de controlo.
Em certos aspectos os medidores mecânicos excedem em muito outros tipos de medidores,
principalmente quando estão envolvidos fluidos preciosos como petroleo, são tambem muito utilizados
para medir combustiveis nos tanques de automóveis e aviões, assim como para medir o combustivel
consumido durante um voo. Deve-se notar que os medidores excepto em um ou dois casos, apenas
podem ser utilizados para medir liquidos, pois para medirem gases requerem algumas modificações.
Em todos os medidores inferenciais, o elemento móvel é o rotor, e o princípio de funcionamento básico
é a existência de uma relação linear entre a velocidade do rotor e o caudal. A força que actua sobre o
rotor é a força motriz. Em sentido contrário actuam as forças de amortecimento, as forças de
viscosidade e, a fricção mecânica. As forças de amortecimento é proporcional ao quadrado da
velocidade do caudal em relação às pás do rotor, isto para um fluido com a densidade constante. A
força de amortecimento é proporcional ao quadrado de N, onde N representa a velocidade de rotação
do rotor. A força devido à viscosidade é proporcional ao quadrado de V enquanto que a fricção
mecânica é constante.
Se as forças de viscosidade e as forças de amortecimento forem muito grandes, em relação à fricção
mecânica, a velocidade do rotor, N, será directamente proporcional à velocidade do caudal, V, em
resultado disto, poderá então ser medido o caudal. Teremos, então, de ter uma fricção mecânica muito
pequena. Consequentemente, se a constante da fricção mecânica reduz a velocidade de rotação do
rotor em 0.05% no caudal máximo, a potência será reduzida em 5%, a 1/10 do caudal máximo. A
velocidades reduzidas, o caudal tende a ser laminar, consequentement, as forças viscosas serão menores
do que as obtidas em regime turbulento. Podemos então dizer que à medida que a velocidade aumenta,
atinge-se uma zona de transição entre o regime laminar e turbulento, em que a velocidade do rotor
aumenta em relação à velocidade do caudal. À medida que a velocidade do caudal continua a ser
reduzida, o efeito das forças de fricção mecânica tornam-se predominantes, e a velocidade do rotor
diminui em relação à velocidade do caudal.
Rotor de Pás (Único ou Múltiplo)
Neste tipo de medidor, o elemento móvel toma a forma de um rotor com várias pás montadas no eixo
vertical e incorporadas num cilindro. Quando o medidor é de apenas um jacto, o líquido é injectado
para dentro da câmara tangencialmente, saindo diametralmente. Em consequencia, a velocidade de
rotação é determinada pela velocidade do líquido e pelas dimensões do rotor.
Os medidores de jactos múltiplos apresentam em geral as mesmas características dos medidores com
um jacto apenas, no entanto neste caso, o líquido entra tangencialmente por vários orifícios, e sai
novamente tangencialmente, mas num ponto mais alto da câmara. Desta maneira são aumentadas as
forças de amortecimento.
Turbina
Uma turbina consiste de um rotor com rolamento e eixo encaixados. O fluido cujo caudal se pretende
medir provoca a rotação do rotor; a velocidade rotacional do rotor é proporcional à velocidade de
escoamento do fluido. Para medir o caudal existe um dispositivo que mede a velocidade de rotação do
rotor.
O sensor pode ser um eixo com transmissão por engrenagens para um medidor ou sensor electrónico
que detecta a passagem de cada pá do rotor gerando um impulso. A velocidade de rotação do eixo do
sensor e a frequência dos impulsos são proporcionais ao caudal volumétrico através do medidor.
A figura mostra um diagrama de vectores com as forças envolvidas. O vector V tem uma velocidade
axial v e não tem velocidade na componente tangencial (ou radial). A falta da componente tangencial da
velocidade é um elemento importante no sistema. A pá do rotor está orientada com um ângulo a de
incidência em relação ao fluido. O momento do fluido transmite uma velocidade rotacional ao rotor,
fazendo com que o fluido mude de direcção e parta do rotor em turbilhão sem direcção definida. A
velocidade de rotação é quase directamente proporcional à velocidade ou ao caudal do fluido através
do medidor.
Embora as pás de um medidor turbina trabalhem de um modo semelhante à de uma turbina normal,
existem algumas diferenças significativas. Uma pá de uma turbina padrão é projectada para realizar
trabalhar rodando um eixo do qual se extrai a maior parte da energia do sistema. É, por isso, necessário
projectar a pá mais eficiente possível. O rotor de uma turbina normal de produção de energia é
normalmente projectado para trabalhar a uma velocidade específica ou numa gama limitada de
velocidades. Raramente se permite que uma turbina de produção de energia trabalhe a uma velocidade
"livre".
Numa turbina de medição de caudal, o rotor não está ligado a um eixo para a produção de trabalho
"útil" e opera sempre a uma velocidade "livre". O intervalo de velocidade no qual o medidor de caudal
de turbina opera é normalmente bastante amplo. A característica mais importante de um rotor de um
medidor de turbina é a estabilidade, e não a eficiência como nas turbinas de produção de energia. Um
bom medidor de turbina deve transformar uma velocidade axial numa velocidade rotacional o mais
precisa e repetidamente possível. Não é necessário que produza a maior velocidade de rotação
possível, mas que produza a representação mais estável da velocidade axial e a que é menos afectada
de influências secundárias.
Outro factor que também se deve ter em conta para a eficiência da pá, além do ângulo de incidência, é
a forma da pá de modo a diminuir a componente axial da velocidade e a aumentar a componente
tangencial, resultando assim numa maior velocidade de rotação. Para um medidor de caudal de turbina,
a característica mais importante é a estabilidade e os parâmetros que tornam uma pá mais eficiente
também tornam a pá mais sensível a menores mudanças nas condições ambientais tal como o perfil de
velocidades.
Hélice
Este tipo é utilizado em medidores com um diâmetro maior ou igual a 2 in. Os medidores de diâmetros
mais pequenos são produzidos para aplicações especiais tais como medir o consumo de combustível de
um avião. O rotor pode ser montado na vertical ou na horizontal como indicado nas figuras.
Os medidores na vertical apresentam a entrada e a saída sempre na horizontal. O facto de o líquido
passar pela câmara na vertical reduz o impulso, no entanto, a mudança de direcção do caudal aumenta
a perda de pressão. A relação entre o volume que passa pela câmara por cada volta da hélice é dada
por V=PA, onde V é o volume, P é a inclinação das correntes e A é a área de secção recta da
câmara. A câmara é feito de um metal que cria resistência ao líquido que passa e encontra-se suspensa,
de maneira a ser facilmente desmantelada para manutenção. O indicador encontra-se na horizontal e é
visto do topo.
Em alternativa ao medidor na vertical, temos um medidor onde são montados dois rotores.Após a
entrada o líquido é dividido em duas correntes, uma entra no rotor 1 por cima , enquanto que a outra
entra no rotor 2 por baixo. As duas correntes encontram-se entre os dois rotores saindo juntas na
horizontal.
Os medidores de caudal inferenciais podem ser construídos, entre outros, com os seguintes materiais:
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Pláticos variados
Vulcanite
Monel metal
Aço inoxidável
Bronzes especiais
Todos os tipos de medidores inferênciais têm uma exactidão de aproximadamente 2% abaixo da
especeficação mínima. Esta especificação mínima é uma pequena fracção do caudal máximo
recomendado, e o valor dessa fracção é determinado pelo tipo de medidor e em alguns casos pela
dimensão do medidor.
Referindo em particular os medidores mecânicos usados em medições de água, estes concedem
capacidade, perda de carga, métodos de teste, etc., para permitir a performance destes medidores ao
serem testados de forma ciêntifica, tambem para formar bases de comparação entre os medidores
mecânicos e outros.
É evidente que a capacidade dos dos medidores mecânicos é baseada no caudal de fluido e numa
especificada perda de carga. O âmbito de todos os fabricantes é obter um medidor com capacidade
máxima e uma perda de carga mínima, com uma gama de operação elevada, umas dimensões tão
pequenas quanto possivel e um custo mínimo.
Os standards Europeus são baseados numa capacidade nominal em m3/h com uma perda de carga em
metros de água.
O standard para os medidores semi-rotativos de piston e para os medidores inferênciais é dado na
tabela abaixo:
A capacidade nominal em metros de água vai representar um caudal máximo. O que deve ser
reguardado é uma especificação para pequenos medidores mecanicos de acordo com a prática
Britânica. Isto é-nos dado pela tabela seguinte:
Para liquidos viscosos como petróleo as perdas de carga podem ser substancialmente maiores do que
se o líquidio em questão fosse água.
O medidor inferencial pode ser usado para medir diversos tipos de correntes. Nas secções relativas aos
fabricantes, construção/materiais e outros temos diversos exemplos de utilização deste tipo de
manómetros em diferentes gamas de medida e condições de operação.
Na calibração dos medidores inferênciais, geralmente na região de caudal minimo existe uma curvatura
bastante acentuada na curva teste. Isto está respresentado no gráfico que se segue:
Nos medidores inferenciais na região de fluido mais viscoso as perdas de carga são reduzidas, com um
consequente aumento da eficiêndia do rotor. No entanto a sua velocidade, é aumentada para um dado
caudal, e o medidor tende a ler rápido na região de maior viscosidade. Quando se aumenta a
viscosidade do liquido a curvatura referida anteriormente reduz-se substancialmente. Também se um
medidor inferencial for calibrado com água, ele irá ler rápido se posto a medir um oleo viscoso. É do
interesse de todos os fabricantes obter uma curva de calibração horizontal, tal como reduzir a amplitude
da curvatura anteriormente referida. Deve-se notar que se um medidor inferencial for usado para medir
um óleo viscoso ele vai ler lentamente contra uma calibração com água, á medida que o efeito da
fricção do fluido se torna considerável aumenta a dificuldade de o fluido passar através do rotor.
Quando o fluido é completamente viscoso obtém-se uma constante de erro.
A instalação destes medidores é bastante simples, sendo apenas necessário encaixar o corpo do
medidor à tubagem por onde passa o fluido. Teremos no entanto de ter em conta alguns aspectos:
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Verificar se o líquido é aplicável para esse medidor
Verificar que a temperatura máxima não é ultrapassada
O medidor deve estar instalado num local onde gases ou vapor não entrem em contacto com este
Evitar que o ar entre no medidor (caso isto não seja possível, deve-se acrescentar uma válvula
automática para a libertação do ar)
No caso de medição de soluções, estas não devem ser muito concentradas de modo a evitar
cristalização
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Vantagens
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Exactidão elevada
Materiais resistentes à corrosão
Estabilidade a longo prazo
Pode operar com líquidos ou gases
Sinal de saída (output) analógico ou por impulso
Gama de operação elevada
Baixa queda de pressão
Grandes intervalos de pressão e temperatura
Grande capacidade de resistência ao choque
Grande variedade de aparelhos electrónicos disponíveis
Desvantagens
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Preços relativamente elevados