DOQ-CGCRE-017. Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial

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1 Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial ORIENTAÇÕES PARA A REALIZAÇÃO DE CALIBRAÇÃO DE MEDIDORES ANALÓGICOS DE PRESSÃO DOQ-CGCRE-017 Revisão 00 MAIO/006 _ Documento de caráter orientativo 1

2 DOQ-CGCRE-017 Revisão 00 MAIO/006 Página: 1/13 ORIENTAÇÕES PARA A REALIZAÇÃO DE CALIBRAÇÃO DE MEDIDORES ANALÓGICOS DE PRESSÃO SUMÁRIO 1 Objetivo Campo de Aplicação 3 Responsabilidade 4 Documentos de Referência 5 Siglas 6 Terminologia e Definições 7 Condições Gerais 8 Tipos de Instrumentos 9 Condições Ambientais 11 Recomendações para Calibração de Medidor Analógico de Pressão 1 Preparação 13 Método de Calibração 14 Verificação Intermediária 15 Incerteza de Medição 16 Apresentação dos Resultados 17 Periodicidade entre Calibrações Anexo A Cálculo da Pressão de Referência Anexo B Tabela de Conversão de Unidades Anexo C Planilha de Incertezas de Medidores Analógicos de Pressão Anexo D Estimativa da Incerteza de Medição em um Ponto Interpolado na Curva de Calibração do Padrão Anexo E - Tipos de Escalas de Medidores Analógicos de Pressão 1 OBJETIVO Este documento estabelece diretrizes e orientações para a realização de calibração de medidores analógicos de pressão. Embora este documento não constitua um critério específico para a acreditação de laboratórios na área de pressão, ele contém informações consideradas relevantes para a elaboração e a avaliação dos procedimentos de calibração na área de pressão. CAMPO DE APLICAÇÃO Este documento se aplica à Dicla, aos laboratórios de calibração acreditados e postulantes à acreditação na área de pressão e aos avaliadores e especialistas que atuam nos processos de acreditação de laboratórios nesta área. 3 RESPONSABILIDADE A responsabilidade pela revisão deste documento é da Dicla/Cgcre. _ 1

3 DOQ-CGCRE-017 Revisão 00 MAIO/006 Página: /13 4 DOCUMENTOS DE REFERÊNCIA Resolução do CONMETRO n o 1/88 Quadro Geral de Unidades DIN EN 837-1: 1997 Pressure gauges - Bourdon tube pressure gauges, dimensions,metrology, requirements and testing ANSI / ASME - B 40-1:1974 Gauges pressure and vacuum indicating dial type -Elastic element. NBR 14105:1998 Manômetros com sensor de elemento elástico Recomendações de fabricação e uso. NIT-DICLA-01 Relação Padronizada de Serviços de Calibração Acreditados NIT-DICLA-01 Expressão da Incerteza de Medição na Calibração, contendo a Versão Brasileira da Publicação EA 4/0 Referência Original do Editor: NIT- DICLA ISO GUM 95 Portaria INMETRO Nº 09, de 10 de março de 1995: VIM: Vocabulário Internacional de Termos Fundamentais e Gerais de Metrologia Couto PRG, Franklin TP, Oliveira J, Cinelli L, "A Apresentação do Estudo dos Padrões do Laboratório de Pressão do INMETRO e Suas Melhores Capacidades de Medição",- METROLOGIA 000 SP Couto PRG, Franklin TP, Oliveira J, Cinelli "Apresentação das Planilhas de Incerteza de todos os Serviços de Calibração realizados pelo Laboratório de Pressão do INMETRO", METROLOGIA 000 S 5 SIGLAS ANSI/ASME Cgcre CT-9 Dicla DIN EA Inmetro ISO NBR American National Standards Institute/American Society of Mechanical Engineers Coordenação Geral de Credenciamento Comissão Técnica de Pressão Divisão de Credenciamento de Laboratórios Deutsches Institut für Normung European co-operation for Accreditation Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial International Organization for Standardization Norma Brasileira 6 TERMINOLOGIA E DEFINIÇÕES Para o propósito desta Norma, são adotadas as definições a seguir, complementadas pelas contidas na Portaria INMETRO nº 9, Vocabulário Internacional de Termos Fundamentais e Gerais e Metrologia (VIM) e na NIT-DICLA Amplitude da Faixa de Escala Expandida Diferença entre os limites superior e inferior da faixa de escala expandida. 6. Classe de Exatidão Classe do medidor analógico que satisfaz a determinadas exigências metrológicas destinadas a conservar os seus índices dentro de limites especificados. As classes dos medidores analógicos são estabelecidas na NBR _

4 DOQ-CGCRE-017 Revisão 00 MAIO/006 Página: 3/ Divisão da Escala Parte compreendida entre duas marcas quaisquer consecutivas da escala. 6.4 Erro de Indicação Diferença entre a indicação do instrumento e o valor verdadeiro convencional. 6.5 Erro Fiducial (índice da classe de exatidão) O erro fiducial de um medidor analógico de pressão é determinado a partir da relação entre o maior erro de indicação do instrumento pela amplitude da faixa de escala expandida expressa em percentagem. 6.6 Faixa de Indicação (Faixa de Escala) É o conjunto ordenado de marcas associado a uma numeração que faz parte do mostrador. 6.7 Faixa de Indicação Expandida Faixa de escala que apresenta, numa ou em ambas de suas extremidades, desproporcionalidade em relação a todo seu restante (Faixa de Escala Expandida). 6.8 Faixa de Indicação sem zero Faixa de indicação a qual não inclui o valor correspondente ao zero da grandeza a medir. 6.9 Histerese É obtida através da relação entre a diferença máxima das indicações do medidor em um dos ciclos (carregamento e descarregamento), num ponto de pressão expressa em percentagem da amplitude da faixa de escala expandida Identificação da Classe de Exatidão do Medidor Conforme NBR 14105, a classe de exatidão de um medidor analógico de pressão é identificada de acordo com as seguintes características físicas do instrumento: - diâmetro nominal da janela, - faixa de escala (faixa de indicação), - valor de uma divisão, - número de divisões Medidor Analógico de Pressão Medidor do tipo mostrador que utiliza um elemento elástico, o qual é sensível mecanicamente à pressão e indica esta grandeza por intermédio de um ponteiro sobre uma escala. 6.1 Melhor Capacidade de Medição Menor incerteza de medição que um laboratório pode atingir no escopo da sua acreditação, quando efetua calibrações mais ou menos rotineiras de padrões de medição próximos do ideal, destinados a definir, realizar, conservar ou reproduzir uma unidade de uma grandeza ou um ou mais de seus valores, ou quando realiza calibrações mais ou menos rotineiras de instrumentos de medição próximos do ideal projetados para a medição daquela grandeza Pressão Absoluta A pressão absoluta (P abs ) é a pressão que está acima da pressão "zero" (vácuo absoluto) Pressão Diferencial - Diferença de Pressão A diferença entre duas pressões p 1 e p é denominada diferença de pressão: p p 1 p ou pressão diferencial p 1,. _ 3

5 DOQ-CGCRE-017 Revisão 00 MAIO/006 Página: 4/ Pressão Positiva e Pressão Negativa A diferença entre uma pressão absoluta e a pressão atmosférica é a pressão positiva ou pressão negativa: p p e abs p atm A pressão (P e ) é positiva quando a pressão absoluta for maior que a pressão atmosférica e negativa (vácuo) quando a pressão absoluta for menor que a pressão atmosférica Repetitividade É obtida através da relação entre a diferença máxima das indicações do medidor num mesmo ponto de pressão, numa mesma solicitação expressa em percentagem da amplitude da faixa de indicação expandida Unidades A unidade de pressão do sistema internacional de unidades é o pascal (Pa), a qual é definida pela relação N/m². Para a conversão de unidades de pressão, o laboratório deve ter uma tabela oficial com as informações das suas respectivas referências citadas. O desconhecimento destas informações, poderão acarretar erros da ordem 0,4% e 0,% na conversão de qualquer unidade de pressão para a altura de coluna de mercúrio e de água respectivamente. A tabela de conversão de unidade citada no anexo B tem como referência: - aceleração da gravidade normal( g N = 9,80665 m/s. - massa específica do mercúrio à 0C e pressão atmosférica padrão (10135 Pa): Hg = 1, x 10 4 kg/m 3 - massa específica da água à 4C e pressão atmosférica padrão (10135 Pa): - H O = 1, x 10 3 kg/m Valor de uma Divisão Diferença entre os valores correspondentes a duas marcas sucessivas da faixa de escala do instrumento. 7 CONDIÇÕES GERAIS Este documento é resultado do trabalho da Comissão Técnica de Pressão (CT-9). Embora o documento não se constitua um requisito para a acreditação, ele contém informações relevantes para a elaboração e avaliação de procedimento de calibração de medidores analógicos de pressão. A realização da calibração dos medidores analógicos de pressão (vacuômetro, manovacuômetro e manômetro) tem como base a norma NBR Este documento complementa esta norma, com alguns outros parâmetros adicionais necessários na calibração dos medidores analógicos de pressão. 8 TIPOS DE INSTRUMENTOS Os medidores de pressão são divididos em dois grandes grupos: Medidores fundamentais e medidores indiretos. Os medidores fundamentais medem pressão em função da definição da realização da grandeza. Os medidores indiretos medem a pressão em função de uma propriedade física. No grupo dos medidores fundamentais estão o manômetro de coluna líquida, barômetro de _ 4

6 DOQ-CGCRE-017 Revisão 00 MAIO/006 Página: 5/13 coluna de mercúrio e a balança de pressão. No grupo dos indiretos encontram-se os medidores analógicos e digitais (manômetros, vacuômetros, barômetros) e os transdutores de pressão. 8.1 Balança de Pressão Instrumento que mede pressão a partir do equilíbrio entre as forças provenientes da pressão de um fluído (mensurando) e das massas que agem em um pistão situado no interior de um cilindro. 8. Medidor Analógico de Pressão ( manômetro, vacuômetro, manovacuômetro) Medidor que utiliza um elemento elástico, o qual é sensível mecanicamente a uma pressão (mensurando) e indica esta grandeza em um mostrador por intermédio de um ponteiro sobre uma escala. 8.3 Medidor Digital de Pressão ( manômetro, vacuômetro, manovacuômetro ) Medidor que fornece uma indicação de pressão na forma digital, em unidade de pressão. 8.4 Transdutor de Pressão Medidor que fornece um sinal de saída elétrico que tem uma correlação determinada com a pressão de entrada. 9 CONDIÇÕES AMBIENTAIS Recomenda-se que as calibrações sejam realizadas a uma temperatura de (0 ) C e umidade relativa do ar de (50 0) % e isentas de vibrações. 10 RECOMENDAÇÕES PARA CALIBRAÇÃO DE MEDIDOR ANALÓGICO DE PRESSÃO Instrumento N.º mínimo de pontos Condição da calibração Padrão para calibração do instrumento (*) Manômetro e vacuômetro analógicos Classes A4, A3, A e A1 10 pontos de 10% a 100% do limite superior da faixa nominal Classes A,B, C e D 5 pontos de 5% em 5% do limite superior da faixa nominal ciclos (no mínimo) Balança de pressão ou padrão cuja classe de exatidão seja 4 vezes melhor ao do instrumento a ser calibrado, conforme certificado de calibração Recomendamos que o laboratório que, em função de serviço específico, necessitar de uma variação menor que ºC, utilize seu procedimento interno. * Em todos os casos, recomendamos que seja analisada a relação exatidão do padrão e do instrumento a ser calibrado. _ 5

7 DOQ-CGCRE-017 Revisão 00 MAIO/006 Página: 6/13 11 PREPARAÇÃO 11.1 Limpeza Antes da calibração é importante que o instrumento esteja totalmente limpo e isento de impurezas que possam causar algum dano ao padrão. Para isto, inserir no bourdon do instrumento, por intermédio de uma seringa, álcool isopropílico, por exemplo, até que o mesmo saia isento de qualquer impureza. Observar se o instrumento é utilizado para a medição de pressão de oxigênio. Neste caso, calibrar o instrumento num sistema cujo fluido é água, ar ou nitrogênio. 11. Posicionamento do Instrumento Quando informado pelo cliente, posicionar o manômetro/vacuômetro/manovacuômetro na sua posição de trabalho (vertical ou horizontal), no padrão definido para a calibração Medição do Desnível entre o Padrão e o Instrumento sob Calibração Medir o desnível entre o padrão e o instrumento (de acordo com a Figura 1) indicando se o padrão está acima ou abaixo do medidor. Instrumento Padrão h0 Padrão Instrumento h0 Figura 1 1 MÉTODO DE CALIBRAÇÃO 1.1 Aplicar pressão (manômetro) ou vácuo (vacuômetro) máximos no instrumento e permanecer nessa condição até que se perceba a estanqueidade do sistema. Nota: No caso de manovacuômetros a solicitação será nos dois limites da faixa de indicação do instrumento. 1. Aliviar totalmente a pressão (manômetro) ou vácuo (vacuômetro) e permanecer por um período de 5 minutos. 1.3 Antes de cada leitura, é importante bater, levemente, com o dedo, na janela do instrumento para minimizar o erro de atrito. _ 6

8 DOQ-CGCRE-017 Revisão 00 MAIO/006 Página: 7/ Iniciar a calibração com aplicação crescente (carregamento) de pressão ou vácuo, nos pontos determinados no item 11, até que o instrumento sob calibração atinja esses valores. Registrar os valores correspondentes, do padrão. Nota: Outros métodos diferentes do recomendado neste documento poderiam ser utilizados pelo laboratório desde que apropriadamente validados conforme requerido na NBR ISO/IEC 1705: Aliviar continuamente (descarregamento) a pressão ou vácuo, efetuando a calibração nos mesmos pontos definidos no carregamento. Caso pontos pré-determinados sejam ultrapassados, iniciar novamente essa parte do ciclo. 1.6 Repetir os itens 13.3 e 13.4, no mínimo uma vez. 13 VERIFICAÇÃO INTERMEDIÁRIA Quando os padrões do laboratório são do grupo indireto, é recomendável que os mesmos sejam verificados entre calibrações, de forma a ratificar a confiabilidade metrológica das sua calibração. 14 INCERTEZA DE MEDIÇÃO A incerteza de medição é calculada de acordo com planilha apresentada no Anexo C Melhor Capacidade de Medição No caso do laboratório dispor de uma balança de pressão como padrão de referência para a calibração de um medidor analógico de pressão, e sendo que calibração de uma balança de pressão na avaliação da incerteza são levadas em consideração todas as incertezas das grandezas de base e de influência que influem na medição pressão por este tipo equipamento, a melhor capacidade de medição neste caso é aquela incerteza declarada no seu respectivo certificado de calibração. Quando o laboratório tem como padrão de referência um medidor do grupo relativo de pressão, a melhor capacidade de medição é definida pela raiz quadrada da soma quadrática da incerteza do padrão declarada no seu certificado de calibração dividida pelo seu respectivo coeficiente de abrangência mais a incerteza referente ao valor de uma divisão ou resolução dos instrumento mais indicado a calibrar pelo padrão do laboratório. No caso dos medidores analógicos a incerteza referente ao valor de uma divisão do instrumento a calibrar tem uma distribuíção triangular. Esta respectiva estimativa de incerteza é definida pela valor de meia divisão do instrumento dividido por raiz de seis. 15 APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS Os resultados da calibração devem ser emitidos em um certificado de calibração, conforme requisitos da NBR ISO/IEC PERIODICIDADE ENTRE CALIBRAÇÕES Cabe ao usuário, estabelecer a periodicidade entre calibrações do instrumento. _ 7

9 DOQ-CGCRE-017 Revisão 00 MAIO/006 Página: 8/13 ANEXO A CÁLCULO DA PRESSÃO DE REFERÊNCIA A equação de medição de pressão por uma balança de pressão é definida pela expressão: [mp (1- a/ m ) gl C p m(1- a/ m ) p A [1 ( c p)( t 0)][1 p ] 0,0 n óleo g h l Onde, m p = massa do pistão (kg) a = massa específica do ar (kg/m³) mp = massa específica do material do pistão (kg/m³) m = somatório das massas atuantes no topo do pistão (kg) m = massa específica do material das massas (kg/m³) g l = aceleração devida à gravidade local (m/s²) = tensão superficial do fluído (N/m) C = comprimento da circunferência do pistão (m) A 0,0 = área do comprimento pistão cilindro (m²) c, p = coeficiente de dilatação térmica linear do conjunto pistão-cilindro (C -1 ) t = temperatura no momento da medição (C) = coeficiente de deformação do conjunto pistão-cilindro (Pressão -1 ) p n = pressão nominal da medição (Pressão) óleo = massa específica do óleo utilizado (kg/m³) h = diferença de altura entre a base do pistão e o instrumento a calibrar - A pressão de referência determinada para um medidor analógico padrão é definida a partir da sua curva de calibração a qual é definida pela expressão: onde: P a ref bp i P ref = Pressão de referência referente a cada indicação do medidor analógico padrão a = Coeficiente linear da curva de calibração do medidor analógico padrão b = Coeficiente angular da curva de calibração do medidor analógico padrão P i = Pressão indicada pelo medidor analógico padrão _ 8

10 DOQ-CGCRE-017 Revisão 00 MAIO/006 Página: 9/13 ANEXO B = 1Pa = Pa (N/m ) (N/m ) 1 1 bar = (*) 1 psi = (*) 1 kgf/cm = (*) (**) 1 mm Hg = (*)(**) 1 in Hg = (*)(***) 1 m H O = (*)(***) 1 in H O = 1,00000 TABELA DE CONVERSÃO DE UNIDADES bar x (*) psi (*) (*) (**) kgf/cm mm Hg = Torr (*)(**) in Hg (*)(***) m H O (*)(***) in H O 1, , , ,50067, , , x 10-5 x 10-4 x 10-5 x 10-3 x 10-4 x 10-4 x , x 10 6, , x 10 3 x , , ,4334 x 10 4 x 10-1 x , ,50067, x 10 x 10 7, , x 10 - x 10 1,333 1,333 1, , x 10 x 10-3 x 10 - x , , , ,453150, x 10 3 x 10 x 10 1 x 10-9, , ,4334 1, ,35560 x 10 3 x 10 x 10-1 x 10 7,35560, x 10 x 10 x , x 10 4, x 10, ,030696, x 10-1 x 10 1, x 10 3, x 10 3, , ,35394 x 10 - x 10 - x 10-1,895906,490889, ,6179, , ,35560, x 10 x 10-3 x 10 x 10-3 x 10-3, , x 10 1 x , x 10 x 10-1 Observações 1.(*) g = 9,80665 m/s ( aceleração normal da gravidade).(**) Hg = 1,359508x10 4 kg/m 3 (massa específica do mercúrio a 0 C e submetida a uma pressão barométrica de Pa) 3. (***) HO = 1,000000x10 3 kg/m 3 (massa específica da água a 4 o C e submetida a uma pressão barométrica de Pa) _ 9

11 DOQ-CGCRE-017 Revisão 00 MAIO/006 Página: 10/13 ANEXO C PLANILHA DE INCERTEZAS DE MANÔMETROS, MANOVACUÔMETROS E VACUÔMETROS ANALÓGICOS Fontes de incerteza Repetição das indicações do instrumento no ponto Incerteza da calibração do padrão **Curva de calibração do padrão Valor (kpa) Distribuição Divisor Coef. de sensibilidade Incerteza (kpa) Grau de liberdade 4 Normal Normal -1 0,5 0,0 Normal 1 1 0,0 n- Resolução do instrumento 10 Retangular Incerteza combinada Incerteza expandida 3 * ou 6 * 1 5,8 - Normal - 6, >100 - Normal k= 95,45% *Distribuição retangular ou distribuição triangular ** Padrão de pressão do tipo indireto >100 A resolução é definida como a razão entre o espaçamento entre duas marcas sucessivas da escala e a espessura do ponteiro, devendo ter como valores limites e 10. _ 10

12 DOQ-CGCRE-017 Revisão 00 MAIO/006 Página: 11/13 ANEXO D ESTIMATIVA DA INCERTEZA DE MEDIÇÃO EM UM PONTO INTERPOLADO NA CURVA DE CALIBRAÇÃO DO PADRÃO P a ref bp i D n n P i P ) ( i s Pref erimental P exp ref calculadopela curva s a s D P i u a s a s b s n D u b s b r ( a, b) n P i P i Incerteza de qualquer valor interpolado na curva de calibração u y N c u N N c c u u r (*) i xi i1 i1 j1 i j xi xj xi, xj Neste caso as grandezas de entrada são os coeficientes a e b deste modo então: P P ref ref 1 a e p b i logo a equação (*) fica: u y 1 ua pi ub 1 pi uaubra, b Onde Pi é a pressão indicada pelo manômetro padrão *Incerteza de qualquer ponto interpolado na curva de calibração do manômetro padrão _ 11

13 DOQ-CGCRE-017 Revisão 00 MAIO/006 Página: 1/13 ANEXO E TIPOS DE ESCALAS DE MEDIDORES ANALÓGICOS DE PRESSÃO Faixa de Escala Comum Faixa de Escala Expandida 0 a 10 Faixa de Escala de Zero Suprimido _ 1