Fundação Centro Tecnológico de Minas Gerais IMPLANTAÇÃO DO LABORATÓRIO DE VAZÃO DE GÁS DA FUNDAÇÃO CENTRO TECNOLÓGICO DE MINAS GERAIS V Seminário de Metrologia Aeroespacial V SEMETRA 21 a 24 de julho de 2003
INTRODUÇÃO A medição de um fluxo é realizada por uma ou mais das seguintes razões: quantificação de um fluxo (determinação da sua vazão) quantidade de fluido que escoa em determinado elemento condutor na unidade de tempo; medição, controle e otimização de processos industriais contínuos, de forma econômica e consistente; obtenção de medições confiáveis para propósitos comerciais ou tarifários; monitoração de condições ambientais para saúde pública e segurança. A quantidade e o tipos de instrumentação requerida depende de qual o principal objetivo da medição de vazão.
A instrumentação utilizada para medição de vazão é geralmente constituída por um elemento (ou dispositivo) primário e uma instrumentação secundária. O elemento primário é o medidor básico, através do qual o fluido passa e que resulta de alguma forma de interação que transforma a vazão em uma grandeza física mensurável. Alguns dispositivos primários simples, tais como medidores de área variável (rotâmetros), possuem meios integrados de mostrar o valor medido. Mas em geral, os elementos primários não indicam o valor da vazão, eles produzem um sinal que necessita ser interpretado para proporcionar uma medição da vazão.
A instrumentação secundária processa o sinal produzido pelo dispositivo primário e transforma a grandeza obtida em uma informação com indicação adequada. Uma instrumentação secundária pode ser constituída por dispositivos de operação manual tais como manômetros de coluna de liquido, termômetros de vidro cronômetros mecânicos, etc. No entanto, sistemas eletrônicos atualmente disponíveis proporcionam maior flexibilidade e exatidão, alem de muitos destes sistemas fazerem usos das poderosas técnicas de microprocessadores, associados a microcomputadores, possibilitando uma automatização dos sistemas de coleta dos sinais e processamento dos dados.
PRINCIPAIS TIPOS DE MEDIDORES DE VAZÃO DE GÁS Medidores de Pressão Diferencial Placa de orifício
Medidores de Pressão Diferencial Tubo de Venturi
Medidores de Pressão Diferencial Área variável - Rotâmetros
Medidores de Deslocamento Positivo Diafragma
Medidores de Deslocamento Positivo Pistom Rotativo (Tipo Lóbulos)
Medidores de Deslocamento Positivo Rotor semi-submerso
Coriolis Medidores Mássicos
Térmicos Medidores Mássicos
Medidor Turbina
Medidor Ultrasônico
CARACTERÍSTICAS Os medidores de vazão são caracterizados por propriedades definidas, dentre as quais podem ser destacadas: REPETITIVIDADE (de um instrumento de medição) Aptidão de um instrumento de medição em fornecer indicações muito próximas, em repetidas aplicações do mesmo mensurando, sob as mesmas condições de medição (VIM); EXATIDÃO (de um instrumento de medição) Aptidão de um instrumento de medição para dar respostas próximas a um valor verdadeiro (VIM). Geralmente boa repetitividade requer um instrumento cuidadosamente fabricado e com projeto adequado. Boa exatidão, por outro lado, requer estas duas características mais uma terceira, ou seja, uma calibração contra um padrão de incerteza conhecida.
CALIBRAÇÃO DE UM MEDIDOR DE VAZÃO A calibração de um medidor de vazão envolve a determinação de seu desempenho, o qual pode ser expresso em termos de uma curva de erro, fator do medidor, coeficiente de descarga, etc., como uma função da vazão ou outro parâmetro relacionado à vazão. Técnicas de Calibração de vazão Os sistemas de calibração de vazão são usualmente constituídos por: 1. Uma fonte de fluxo geralmente suprida por um compressor, um ventilador ou um reservatório de gás pressurizado; 2. Uma seção de testes equipada com dispositivos para controle da vazão, na qual o medidor a ser calibrado e suas tubulações adjacentes possam ser instaladas; 3. Um sistema para determinação da vazão de referência. Esses sistemas são geralmente caracterizados de acordo com o tipo de instrumentação utilizada para determinação da vazão.
CALIBRAÇÃO EM LABORATÓRIO Sistemas Primários de Calibração de Medidores de Vazão de Gás De um modo geral, sistemas primários de calibração de medidores de vazão de gás são caracterizados por instalações com projeto conceptivo que possibilita uma coleta cronometrada do fluido passando pelo medidor sob teste. A quantidade de fluido coletado pode ser determinada por técnicas volumétricas ou gravimétricas, e transformada em vazão utilizando-se o tempo de coleta. A vazão volumétrica do fluido que passa pelo medidor sob teste pode ser obtida por meio do princípio da conservação de massa e de medições das propriedades termodinâmicas pertinentes ao medidor.
Os projetos dos sistemas primários de calibração de vazão envolvem equipamentos para coleta gravimétrica ou volumétrica, técnicas de cronometria sincronizada à coleta, instrumentação para medição de temperatura e pressão e instrumentação para aquisição e tratamento dos dados da calibração. Além destes aspectos, devem ser também consideradas as condições do ambiente onde o medidor está sendo testado, a estabilidade do fluxo, perfis de escoamento, etc.
GRAVIMÉTRICO Principais Tipos de Sistemas Primários de Calibração Um fluxo de gás em escoamento permanente é direcionado para um tanque de volume constante, por um período tempo medido. O tanque é pesado antes de se iniciar a coleta para determinação de sua tara. Após a coleta, o tanque é desconectado da linha de fluxo e novamente pesado. Com este procedimento, obtém-se a massa de gás coletado, a qual é dividida pelo intervalo de tempo de coleta para determinação da vazão em massa. Southwest Research Institute - EUA
Principais Tipos de Sistemas Primários de Calibração VOLUMÉTRICOS DINÂMICOS Um fluxo de gás em escoamento permanente é introduzido em uma câmara de coleta (medidores de campânula ou de pistons com selo de mercúrio) de dimensões conhecidas, projetada para se obter uma variação de seu volume interno, a pressão constante, por um período de tempo medido. A mudança no volume divida pelo intervalo de tempo de coleta fornece a vazão volumétrica. O procedimento é denominado dinâmico pelo fato da coleta ser iniciada e finalizada com a campânula (bell prover) ou piston (piston prover) em movimento. Medidor padrão Bell Prover Campânula Saída do fluxo de ar
Principais Tipos de Sistemas Primários de Calibração VOLUMÉTRICO ESTÁTICO (PVTt) Um fluxo de gás em escoamento permanente é desviado para um tanque de volume conhecido por um período tempo medido, após o qual o fluxo de gás é novamente desviado para um circuito em by-pass. A pressão e a temperatura no interior do tanque são medidas antes e após a coleta. A massa de gás coletado, obtida por meio da equação de estado para os gases reais, é dividida pelo intervalo de tempo de coleta para obtenção da vazão mássica.
VOLUMÉTRICO ESTÁTICO (PVTt) NIST
CALIBRAÇÃO EM LABORATÓRIO Sistemas de Calibração contra Medidor Padrão Nesta técnica de calibração são utilizados como padrões medidores de vazão de gás calibrados em um sistema de calibração primária ou contra um padrão de referência ou contra um padrão secundário. Nas calibrações realizadas por este método, o medidor de vazão de gás a ser calibrado e o medidor padrão são instalados em série numa linha de tubulações, observando-se os requisitos de trechos retos à montante e à jusante dos medidores, estabelecidos em normas específicas. É também assumido que a calibração toma lugar sob condições de escoamento permanente. Isto implica que a vazão em massa é mantida constante na linha de tubulações.
Sistemas de Calibração Contra Medidor Padrão PULSOS PULSOS T T Ar P P MEDIDOR PADRÃO MEDIDOR SOB TESTE