Medição de Vazão

Prévia do material em texto

Medição de Vazão
Prof. Leonardo Duarte Batista da Silva
UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO RIO DE JANEIRO
INSTITUTO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA
DISCIPLINA: IT 503 – FUNDAMENTOS DE HIDRÁULICA
Seropédica - RJ
❑ Introdução e Princípios Básicos;
❑ Propriedades Físicas dos Fluidos;
❑ Estática dos Fluidos;
❑ Hidrodinâmica;
❑ Medição de Vazão;
❑ Condutos Forçados;
❑ Bombas Hidráulicas; e,
❑ Condutos Livres.
Programa da Disciplina
Escada hidráulica
❑ Hidrometria;
❑ Medição direta da vazão;
❑ Vertedores;
❑ Flutuador;
❑ Venturi;
❑ Tubo de Pitot;
❑ Orifícios e Bocais;
❑ Calhas medidoras (Parshall e WSC); e
❑ Medidores eletromagnéticos.
Tópicos da Aula 
É a parte da Hidráulica que estuda os métodos de medição da vazão, aplicados
a condutos forçados como também a condutos livres.
Tais medidas são realizadas para diversos fins, dentre eles pode-se citar: o
abastecimento de água, lançamento de esgotos, instalações hidrelétricas, obras
de irrigação, defesa contra inundações, entre outros.
Podem ser divididos em três grupos: métodos diretos; métodos baseados na
relação área-velocidada; e , médotos que empregam uma contração da seção de
escoamento.
Hidrometria
Medição Direta da Vazão
Método volumétrico: Consiste na determinação do tempo necessário para 
encher um recipiente de volume conhecido. Este método é aplicável a pequenas 
vazões (Q  10 L s-1); devem ser feitas pelo menos três medições do tempo e 
trabalhar com o valor médio.
𝑄 =
𝑉𝑜𝑙
𝑡
Q – vazão, m3 s-1; 
Vol – volume do recipiente, m3; e,
t – tempo, s.
𝑄𝑚𝑒𝑑 =
𝑄1 + 𝑄2 + 𝑄3
3
Exemplo 2: Vazão em sulco de Irrigação
A – 4 cm ; b – N.A.; c – fundo do sulco; d- trincheira; 
e – recipiente; f – calha ou cano; g- dique
Exemplo 1: Vazão em 
canalizações de pequenos 
diâmetros.
Método Gravimétrico: Consiste na pesagem de um determinado volume de 
fluido coletado em um determinado tempo.
Hidrômetro: São aparelhos empregados 
para à medição da quantidade de água que 
escoa em intervalos de tempo longos. 
Utilizados em instalações prediais e 
industriais. Medem até 800 L s-1. 
𝑄 =
𝑝𝑒𝑠𝑜
𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜
=
𝑝𝑒𝑠𝑜
𝛾 𝑥 𝑡
Q – vazão, m3 s-1; 
peso - N; 
γ – peso específico, N m-3; e,
t – tempo, s.
Medição Direta da Vazão
Vertedores
Denomina-se vertedores a equipamentos simples, que nada mais são do 
que aberturas feitas na parte superior de uma parede ou uma placa, através 
da qual escoa o líquido cuja vazão se quer medir (PERES, 2006).
São utilizados para a medição e controle da vazão de pequenos cursos 
d’água, canais, nascentes, e galerias (Q ≤ 300 L s-1); extravasadores de 
barragens; decantadores e ETA; ETE.
Partes constituintes:
d ≥ 4H
Distância desde o fundo do canal até a soleira do vertedor = altura da soleira (p);
Profundidade do curso d’água a jusante do vertedor (p’);
Lâmina de água acima da soleira do vertedor = carga hidráulica (H).
AZEVEDO NETTO et al. (1998).
Classificação dos vertedores:
Vertedores
1. Quanto a forma:
(b)(a)
2. Quanto a altura relativa da soleira:
(a) simples: retangular, triangular, trapezoidal, 
circular, entre outros; 
(b) compostos: seções simples combinadas.
(a) vertedores completos ou livres (p > p’); 
(b) vertedores incompletos ou afogados (p p’): o lençol cai 
livremente à jusante do vertedor, onde atua a pressão 
atmosférica. Esta é a situação que tem sido mais estudada 
e deve por isso ser observada quando na instalação do 
vertedor; 
Vertedores incompletos ou afogados (pVertedores
Vertedor Trapezoidal de parede delgada (Cipolletti):
São os mais utilizados para medir a vazão de canais de irrigação. O seu tipo 
mais comum é o vertedor Cipollette, cuja característica principal é apresentar 
o talude das faces inclinadas de 1:4 ( 1 horizontal : 4 vertival).
Segundo especialistas, este arranjo tem a função de compensar, e até mesmo 
anular o efeito da contração lateral da lâmina ao escoar sobre a crista.
A vazão é dada pela soma das vazões do vertedor retangular e triangulares: 
2
5
Q
2
3
Q H
2
tgCg2
15
8
LHCg2
3
2
Q
21

+=
2
3
QQ LH
2
tgC
L
H
5
4
Cg2
3
2
Q
21 




 
+=
CQ
2
3
QLHCg2
3
2
Q =
Experimentalmente obtêm-se CQ = 0,63, assim: 𝑄 = 1,86𝐿𝐻 Τ3 2
Vertedores
Cipolletti considerou: CQ = 0,63; 0,08 3H; 
largura do canal (B) > 7H; e, largura de cada contração > 2H.
𝑄 = 1,518𝐷0,693𝐻1,807
Vertedor Circular :
Vertedor Trapezoidal de parede delgada (Cipolletti):
❑ Mais eficiente para pequenos valores de H;
❑ Fácil construção e instalação;
❑ Não requer nivelamento da soleira;
❑ Pouco empregado.
Q – vazão, m3 s-1; 
D – diâmetro, m; e,
H – carga hidráulica, m.
Vertedores
Vertedor Retangular de parede espessa:
Tem espessura suficiente para que se 
estabeleça o paralelismos entre as linhas 
de corrente, o que confere uma 
distribuição hidrostática da pressão.
Segundo o Princípio de Bélanger, a 
altura sobre a soleira se estabelece de 
maneira a produzir uma vazão máxima. 
Aplicando Bernoulli entre (0) e (1) para a linha de corrente AB, chega-se a:
𝑄𝑡ℎ = 𝐿 2𝑔 𝐻ℎ2 − ℎ3 Τ1 2 Bélanger observou que: ℎ =
2
3
𝐻
Assim, para um fluido real: 𝑄 = 0,385 2𝑔𝐶𝑄𝐿𝐻 Τ3 2
Observações empíricas levam a um CQ = 0,91, tem-se : 𝑄 = 1,55𝐿𝐻 Τ3 2
Esse vertedor, geralmente, compõe uma estrutura hidráulica (como, vertedor de barragem).
Vertedores
Recomendações de instalação e operação:
✓ Deve-se escolher um trecho do canal retilíneo à 
montante, com pelo menos 20 H de comprimento; 
na prática, pelo menos 3 metros;
✓ A altura da soleira deve ser, no mínimo, igual a 3H 
(permite velocidade de aproximação = 0); e da face 
a margem deve-se ter a distância mínima de 2H; 
✓ A soleira deve estar em nível, e apresentar corte em 
bizel a jusante;
✓ A veia líquida deve ser livre;
✓ A carga H deve ser medida a montante do vertedor 
a uma distância de 5H a 10H. Na prática se adota 
uma distância de 1,5 m;
✓ A relação H/Lpor atrito externo e 
viscosidade. 
th
V
v
v
C =
)hh(g2Cv 10V −=
)hh(g2ACvAQ 10CVC −== ACA CC =∴
)hh(g2ACCQ 10CV −=
CVQ CCC =
Na prática pode-se adotar 
CQ =0,61.
Na prática pode-se adotar 
CV =0,985.
)hh(g2ACQ 10Q −=
Orifícios e Bocais
AZEVEDO NETTO et al. (1998).
Orifícios e Bocais
Orifício com escoamento livre e paredes delgadas:
h1= 0 ghACQ Q 2=
Orifício com grandes dimensões:
Nestes casos não se pode admitir que todas as 
partículas atravessam o orifício com a mesma 
velocidade. Adicionalmente a carga é variável 
em cada trecho elementar de espessura dh.
𝑄 =
2
3
𝐶𝑄𝐴 2𝑔
ℎ2
Τ3 2 − ℎ1
Τ3 2
ℎ2 − ℎ1
h2
h h1
AZEVEDO NETTO et al. (1998).
Orifícios e Bocais
Bocais:
São constituídos por peças tubulares adaptadas aos orifícios, com a finalidade 
de dirigir o jato. (bocal = entre 2d e 3d). 
Classificação geral:
AZEVEDO NETTO et al. (1998).
❑ Comprimento de 1,5 a 3,0 D – bocais;
❑ Comprimento de 3,0 a 500 D – tubos muito curtos;
❑ Comprimento de 500 a 4.000 D – tubulação curtas;
❑ Comprimento ˃ 4.000 D – tubulação longa;
Figura. Diferentes tipos de bocais.
A vazão nos bocais é 
determinada aplicando-se a 
fórmula geral para os 
orifícios pequenos
Orifícios e Bocais
AZEVEDO NETTO et al. (1998).
Exemplo 3: De quanto aumentará a vazão, quando adaptarmos um bocal 
cilíndrico externo ao orifício da figura abaixo? Dados: CQ (orifício) = 0,61; 
CQ (bocal) = 0,82).
Orifícios e Bocais
Exemplo 4: Um orifício fornece a vazão de 5 m3 h-1 a uma pressão de 2,5 
kgf cm-2. Calcule a nova vazão que o mesmo deverá fornecer quando a 
pressão for 3,5 kgf cm-2.
2/3 B
Calhas Medidoras
Calhas Parshall
São medidores de regime crítico, onde se verifica o escoamento permanente 
não-uniforme. Constitui-se basicamente de três seções: uma seção com 
paredes laterais convergentes e o fundo nivelado, uma seção com paredes 
paralelas e o fundo com declividade (garganta), e uma seção (à jusante) com 
paredes laterais divergentes e o fundo em aclive.
PERES (2006).
Calhas Medidoras
Calhas Parshall
Tabela. Dimensões padronizadas da calha Parshal (mm) e valores 
limites de vazão (L s-1) em função da largura da garganta.
Sua vazão pode variar de 0,3 L s-1 até 85.000 L s-1. A largura da garganta 
(W) é indicada para designar o tamanho do Parshall, o qual vai depender da 
vazão a ser medida.
W (mm) A B C D E F G´ K N 
Vazões (L s-1) 
Mín. Máx. 
76 (3”) 466 457 178 259 381 152 305 25 57 0,85 53,8 
152 (6") 621 610 294 393 457 305 610 76 114 1,52 110,4 
229 (9") 880 864 380 575 610 305 457 76 114 2,55 251,9 
305 ( 1') 1370 1340 601 845 915 610 915 76 229 3,11 455,6 
457 (1½') 1449 1420 762 1026 915 610 915 76 229 4,25 696,2 
610 (2') 1525 1496 915 1207 915 610 915 76 229 11,89 936,7 
915 (3') 1677 1645 1220 1572 915 610 915 76 229 17,26 1426 
1220 (4') 1830 1795 1525 1938 915 610 915 76 229 36,79 1921 
1525 (5') 1983 1941 1830 2303 915 610 915 76 229 62,80 2422 
1830 (6') 2135 2090 2135 2667 915 610 915 76 229 74,40 2929 
2135 (7') 2288 2240 2440 3030 915 610 915 76 229 115,4 3440 
2440 (8') 2440 2392 2745 3400 915 610 915 76 229 130,7 3950 
 
Calhas Medidoras
Calhas Parshall
A vazão em medidores com descarga livre é determinada pela seguinte 
equação:
Q - vazão (m3 s-1);
Ha - altura do nível d´água no ponto A (m); e
W - largura da garganta (m). 
Submergência limite para ocorrência de descarga livre:
Hb/Ha ≤ 0,6 para Parshall de 3”, 6” e 9” (polegadas);
Hb/Ha ≤ 0,70 para Parshall de 1’ a 8’ (pés).
Podem ser operadas sob duas condições de descarga, sendo-as: livre ou 
afogada. Na condição de descarga livre o nível da água na saída não afeta o 
nível da água na crista do vertedor, assim, basta a leitura de Ha para 
determinação da vazão. Quanto a descarga afogada deve-se realizar a medida 
das duas cargas hidráulicas (Ha e Hb) para se determinar a vazão.
Q = 2,2W𝐻𝑎
Τ3 2
AZEVEDO NETTO et al. (1998).
Calhas Medidoras
Calhas WSC
Medidor crítico desenvolvido pelo Washington State College (USA), 
adaptando-se bem para as medidas de vazão em sulcos de infiltração e de 
canais de pequeno porte. 
Difere dos medidores Parshall por apresentar uma garganta na forma triangular, 
com uma abertura de 60°.
As calhas WSC são padronizadas em três diferentes tamanhos:
❑ Calha pequena (tipo A): aplicada para medir vazão 
em sulcos de infiltração;
❑ Calha média (tipo B): aplicada para medir vazão em 
sulcos de infiltração e pequenos canais;
❑ Calha grande (tipo C): aplicada para medir vazão em 
canais de grande porte.
AZEVEDO NETTO et al. (1998).
Calhas Medidoras
Calhas WSC
Calha do tipo A.
Mede vazões variando 
de 0,067 a 1,67 L s-1. 
Calhas Medidoras
Calhas WSC
Necessitam ser calibradas, sendo a sua relação funcional dada pela equação 
abaixo:
AZEVEDO NETTO et al. (1998).
Q - vazão;
H - carga hidráulica na seção convergente; e
a e b - coeficientes empíricos para cada modelo de calha. 
Q = a𝐻𝑏
Para uma estimativa preliminar, segundo PERES (2006), pode-se aplicar a 
equação abaixo:
Q – vazão (L s-1);
H - carga hidráulica na seção convergente (cm).
Q = 0,0055𝐻2,54
Medidores Eletromagnéticos
São equipamentos que introduzem a formação de um campo eletromagnético 
no interior da tubulação que se deseja medir a vazão.
Quando um líquido se desloca perpendicularmente a um campo 
eletromagnético ocorre a geração de uma força eletromotriz, cuja intensidade é 
proporcional a velocidade de escoamento e a intensidade do campo magnético 
gerado pelo medidor (Lei de Faraday) 
𝐸 = 𝑢 𝑥 𝐵 E – intensidade do campo elétrico;
u – velocidade do fluido condutor; e,
B – indução magnética.
eletroímã
eletrodos
Tubo não
condutivo
Medidores Eletromagnéticos
Vantagens:
❑ Permite a automação na medição da vazão;
❑ Ausência de perda de carga;
❑ Medição independe da temperatura, viscosidade, densidade e turbulência do 
líquido;
❑ Bidirecionalidade.
Limitações:
❑ Fluido necessita ser condutivos (mínimo de 5 μS cm-1);
❑ Custo.
Recomenda-se instalar esse equipamento em trecho reto do tubo, variando de 5 
a 50 diâmetros do tubo a jusante do medidor, e de 5 e 10 diâmetros a montante 
o medidor.
“Amo a liberdade. Por isso deixo as coisas que amo
livres. Se elas voltarem é porque as conquistei. Se
não voltarem é porque nunca as tive ”
John Lennon
	Slide 1
	Slide 2
	Slide 3
	Slide 4
	Slide 5
	Slide 6
	Slide 7
	Slide 8
	Slide 9
	Slide 10
	Slide 11
	Slide 12
	Slide 13
	Slide 14
	Slide 15
	Slide 16
	Slide 17
	Slide 18
	Slide 19
	Slide 20
	Slide 21
	Slide 22
	Slide 23
	Slide 24
	Slide 25
	Slide 26
	Slide 27
	Slide 28
	Slide 29
	Slide 30
	Slide 31
	Slide 32
	Slide 33
	Slide 34
	Slide 35
	Slide 36
	Slide 37
	Slide 38
	Slide 39
	Slide 40
	Slide 41
	Slide 42
	Slide 43
	Slide 44
	Slide 45
	Slide 46
	Slide 47
	Slide 48
	Slide 49
	Slide 50