Metrologia na medição de vazão e velocidade de fluidos

Transcrição

1 XI SEMETRA Seminário de Metrologia Aeroespacial CTA/IFI/DCTA de 30 junho a 02 de julho de 2015 Metrologia na medição de vazão e velocidade de fluidos Valter Yoshihiko Aibe, M.Sc. Núcleo Interdisciplinar em Dinâmica dos Fluidos NIDF NIDF/Coope/UFRJ vyaibe@gmail.com

2 A confiabilidade nas medições é importante para harmonização das relações de consumo, pesquisa, inovação e competitividade do País. Através dos seus resultados são realizadas várias ações, tais como: - avaliação da conformidade; - determinação das quantidades e as qualidades de produtos transferidos e estabelecidos os valores a serem pagos; - elaboração e comprovação de teorias científicas; - desenvolvimento de inovações tecnológicas; - tomadas decisões sobre os controles de processos de produção, de meios de transporte e comunicação; - outras atividades. 2

3 A rastreabilidade é a propriedade dum resultado de medição pela qual tal resultado pode ser relacionado a uma referência através duma cadeia ininterrupta e documentada de calibrações, cada uma contribuindo para a incerteza de medição. (VIM ) 3

4 A incerteza de medição é um parâmetro não negativo que caracteriza a dispersão dos valores atribuídos a um mensurando, com base nas informações utilizadas.(vim ) resultados laboratórios 4

5 CADEIA DE RASTREABILIDADE Unidades do SI Padrões Internacionais RA ST RE AB ILI DA DE Padrões Nacionais Calibração ÃO AÇ IN M SE Dinam S DI BIPM Padrões dos Institutos Nacionais de Metrologia Padrões de referência dos laboratórios de calibração credenciados Padrões de referência. dos laborat. de ensaio credenciados Ensaios Padrões de trabalho dos laboratórios do chão de fábrica Indústria e outros setores COMPARABILIDADE 5

6 Exemplo de uma cadeia de rastreabilidade balança do Laborat. A. (1kg g) peso padrão de refer. do Lab. A (1kg 300 g) peso padrão de trabalho do Lab. da Dimci/Inmetro (1kg 12 g) Protótipo 66 de Pt Ir Padrão nacional de massa (1kg 2,3 g) peso padrão de trabalho do Lab. RBC (1kg 150 g) peso padrão de refer. do Lab. RBC (1kg 100 g) Padrão internacional de massa (1kg) 6

7 Os Institutos Nacionais de Metrologia INMs - (NMI - National Metrology Institute) fornecem confiabilidade e aceitação das medições INM confiabilidade na medição produtos fornecedor cliente pagamento 7

8 Base de dados da key comparison ( Acordo de Reconhecimento Mútuo - MRA Comparabilidade entre os INMs INM - A INM - B produtos fornec. produtos cliente pagamento produtos fornec. pagamento cliente pagamento produtos pagamento 8

9 Bureau Internacional des Poids et Measures - Comitê Internacional de Pesos e Medidas - Comitês Consultivos - Grupo de Trabalho - BIPM-CIPM RMO - Organização Regional de Metrologia AFRIMETS, APMP, COOMET, EURAMET e SIM RMO 2 RMO 1 RMO 3 Comparação Chave - Key Comparison 9

10 BIPM/CIPM/CCM/WGFF Working Group Fluid Flow 1 Volume liquid flow rate (water and hydrocarbon) 2 Volume gas flow rate 3 Mass liquid flow rate (water and hydrocarbon) 4 Gas flow rate (mass, molar) 5 Volume of liquid 6 Mass of liquid 7 Flow speed (liquid and gas) 8 Multiphase flow 9 Heat flow rate 10

11 Resultado da K4-Volume WGFF 11

12 Comitê Consultivo de Pesos e Medidas - BIPM/CIPM Acordo de Reconhecimento Mútuo CIPM MRA (Mutual Recognition Arrangement) International equivalence of measurements: the CIPM MRA ( Lista de Capacidades de Calibração e Medição (CMCs) de países membros. A participação dos INMs nas comparações internacionais fornecem evidências das capacidades declaradas. Base de dados de Comparações Chaves (KCDB - Key comparsion Data Base) ( 12

13 Demanda pela rastreabilidade na medição dinâmica de fluidos Portarias do Inmetro e de Agências Reguladoras. ANP - medições na indústria petrolífera; ANA e outros órgãos - medição de água para gerenciamento de recurso hídricos. Compromisso internacional do Inmetro de implantar laboratórios para participar de comparações interlaboratoriais do WGFF. Necessidades das diversas áreas: econômicas (primária, segundária e terciária), pesquisas e desenvolvimento. 13

14 LABORATÓRIOS DE CALIBRAÇÃO NA ÁREA DE VAZÃO E VELOCIDADE ACREDITADOS PELA Coordenação Geral de Acreditação - Cgcre/Inmetro segundo ISO-IEC laboratórios acreditados na área de vazão (água, óleo e gás) e velocidade de ar. 14

15 Importância da Metrologia Científica - Prover rastreabilidade na Medição Dinâmica de Fluidos: Padronização e Disseminação das grandezas Volume, Massa, Velocidade e Vazão de Fluidos. - Participar de comparações interlaboratoriais, fóruns nacionais e internacionais. - Desenvolver pesquisas científicas. 15

16 Importância da Metrologia Científica - Desenvolver pesquisas científicas para: I) apoiar desenvolvimento da indústria nacional; II) formar recursos humanos altamente qualificados; III) desenvolver métodos de medições e instrumentos; IV) estudar interações instrumentos / escoamento e características termofísicas dos fluidos e suas influências nos resultados das medições; 16

17 Importância da Metrologia Científica V) prover a confiabilidade na medição dinâmica de fluidos em condições de laboratório e de uso cotidiano; VI) ser locus de conhecimento e centro de referência em medição dinâmica de fluidos, com reconhecimento nacional e internacional; VII) contribuir para aperfeiçoamento de normas e regulamentações. 17

18 Para calibração de um padrão ou um instrumento há necessidade de uma valor de referência rastreado ao SI. Os valores de referência podem ser dados por: Medidas materializadas; Materiais de referência certificados MRC; Instrumentos padrão; Sistemas de medição. 18

19 Na calibração de medidores de vazão, de volume e massa dinamicamente e de velocidade de fluidos não há um padrão materializado nem material de referência. Há necessidade de uma infraestrutura laboratorial para promover escoamento de fluidos em condições controladas. O valor de referência pode ser obtida através de medidores padrão ou de um sistema de medição. O desempenho dos medidores podem depender de instalação, pressão, temperatura, condições de escoamento, tipo de fluidos e outros fatores. 19

20 Medição Dinâmica de Fluidos é multidisciplinar: velocidade de fluidos; vazão volumétrica e vazão mássica; volume totalizado e massa totalizada. Medição de movimentos de fluidos em diferentes meios: em meios confinados: dutos, canais, rios, etc.; em meios abertos: baías, oceanos, atmosfera, etc.; em torno de um corpo fixo ou em movimento. 20

21 Medição de escoamento (vazão e velocidade) de diversos fluidos em diferentes condições de temperatura e pressão: petróleo, seus derivados e biocombustíveis; água e efluentes líquidos; ar, gás natural e outros gases puros; líquidos criogênicos; fluidos multifásicos; ar na baixa pressão e na baixa temperatura com umidade; fluidos não newtonianos, etc. 21

22 PRINCÍPIOS DOS MEDIDORES DE VAZÃO Deslocamento positivo Pressão diferencial Diafragma Engrenagens ovais, palhetas, lóbulos, etc. Diferencial de pressão Tubo de Venturi Placa de orifício 22

23 PRINCÍPIOS DOS MEDIDORES DE VAZÃO Calhas Área variável Tubinas tubo de Pitot 23

24 PRINCÍPIOS DOS MEDIDORES DE VAZÃO Térmico mássico Eletromagnético Vortex Coriolis Ultrassônico (efeito Doppler e tempo de trânsito) 24

25 PRINCÍPIOS DOS MEDIDORES DE VAZÃO Velocidade crítica (bocais de velocidade sônica) Fluxo laminar Q = C x P 25

26 PRINCÍPIOS DOS MEDIDORES DE VELOCIDADE DE FLUIDOS Velocidade crítica (bocais de velocidade sônica) anemômetro de pás Ultrassônico (tempo de trânsito) Térmico (filme quente ou fio quente) 26

27 PRINCÍPIOS DOS MEDIDORES DE VELOCIDADE DE FLUIDOS Velocimetria a LASER - DLV LDV 27

28 PRINCÍPIOS DOS MEDIDORES DE VELOCIDADE DE FLUIDOS Velocimetria por imagens de partículas PIV 28

29 PRINCÍPIO DE PADRONIZAÇÃO PRIMÁRIA DAS GRANDEZAS VAZÃO (volumétrica ou mássica) E QUANTIDADE (volume ou massa) TOTALIZADA DE LÍQUIDOS - VOLUMÉTRICO (tanque provador, provador compacto, provador de esfera e outros tipos) - GRAVIMÉTRICO (sistema gravimétrico) - VELOCIMÉTRICO (medição do perfil de velocidade) 29

30 Vazão de líquidos com sistema gravimétrico, tanque provador, provador de esfera e provador compacto Líquido: massa, temperatura e densidade Tanques volumétricos Tempo e freqüência Ar: temperatura, umidade e pressão absoluta Padrão primário tanques provadores para calibração de medidores Provadores compactos ou de esfera para calibração de medidores de vazão e totalizadores tempo e freqüência Padrão primário sistema gravimétrico de calibração de medidores medidores de vazão e totalizadores 30

31 Método de calibração secundário de medidores de vazão de líquidos ou gases: Método por comparação com um medidor padrão P1 T1 n1 k1 P0 padrão T0 f0 n 0 k 0 31

32 Método volumétrico utilizando uma medida materializada de volume (tanques) n1 k 1 P1 T1 32

33 Método volumétrico utilizando provadores (de esfera, compactos, etc.) 33

34 Sistema gravimétrico de padronização de vazão de líquidos DESVIADOR MEDIDOR EM CALIBRAÇÃO BALANÇA 34

35 Sistema gravimétrico de padronização de vazão de líquidos DESVIADOR MEDIDOR EM CALIBRAÇÃO BALANÇA 35

36 Sistema gravimétrico de padronização de vazão de líquidos DESVIADOR MEDIDOR EM CALIBRAÇÃO BALANÇA 36

37 Métodos por velocidade levantando o perfil de velocidade e área de escoamento de fluidos 37

38 PRINCÍPIO DE PADRONIZAÇÃO PRIMÁRIA DAS GRANDEZAS VAZÃO (volumétrica ou mássica) E QUANTIDADE (volume ou massa) TOTALIZADA DE GÁS - VOLUMÉTRICO (provador de campânula, provador de pistão, provador de selo líquido e outros tipos de provadores) - GRAVIMÉTRICO (sistema gravimétrico) - LEI DE GASES (sistema PVTt - pressão, volume, temperatura e tempo) - VELOCIMÉTRICO (medição do perfil de velocidade) 38

39 Provador de Campânula Provador de Pistão P n1 k1 T1 1 39

40 Provador de Pistão e Óleo - MNi 40

41 Sistema gravimétrico de padronização de vazão de gases Recipiente com gás sobre pressão Medidor de vazão Balança Válvula reguladora de pressão e vazão 41

42 PV=nRT ni = (Pi V)/(R Ti) nf = (Pf V)/(R Tf) Sistema PVTt - NIST Sistema PVTt - NMIJ 42

43 Sistema de padronização pela velocidade de escoamento de fluidos numa seção através do laser Doppler (PTB - Alemanha) 43

44 Cadeia de Rastreabilidade da Grandeza Velocidade Disco Dispositivo sobre trilho Velocimetria por Laser pelo efeito Doppler - LDA Velocimetria pela imagem de partículas - PIV Velocimetria pelos princípios acústicos Tubo de Pitot, anemômetros de pás, de fio quente e de filme quente, sensores eletrorresistivos, etc. 44

45 Ex.: PADRONIZAÇÃO PRIMÁRIA DA GRANDEZA VELOCIDADE Laboratório de Velocidade do NMIJ Disco (V=r. ) Dispositivo em trilho 45

46 Ex.: PADRONIZAÇÃO PRIMÁRIA DA GRANDEZA VELOCIDADE Laboratório de Velocidade do NMIJ Disco (V=r. ) Dispositivo em trilho 46

47 Ex.: CALIBRAÇÃO DE INSTRUMENTOS DE MEDIR VELOCIDADE Laboratório de Velocidade do NMIJ Calibração de anemômetro ultrassônico com anemômetros de referência instalados no túnel de vento. Estes calibrados com LDA. 47

48 Desafios na medição dinâmica de fluidos: Fluidos multifásicos Fluidos não Newtonianos Micro e nano vazão Fluidos criogênicos Ar úmido nas grandes altitudes Muito obrigado pela atenção de todos Futurhttp:// Gerenciamento de recursos hídricos Efluentes líquidos e emissões de gases Monitoramento e previsão de clima Mudança global de ambiente 48

49 Muito obrigado pela atenção Muito obrigado pela atenção de todos Futurhttp:// Valter Yoshihiko Aibe

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