MEDIÇÃO

DE

VAZÃO

GEINP/GEIN-N REINALDO SERFATY MAT. 033202.0 TEL : 861-2304 OU 861-6443 REVISÃO 01 - 16/08/96

ÍNDICE ASSUNTO pág.

I- MEDIÇÃO DE VAZÃO 1

1- Introdução 1

2- Conceito de vazão 1

3- Vazão em tubulação 1

4- Tipos de vazão 2

5- Distúrbios na medição 5

6- Medidores de vazão 7

7- Seleção e aplicação dos medidores 9

8- Desempenho de um instrumento 14

9- Erros da medição 25

10- Calibração dos instrumentos 32

11- Padrões 38

II- SISTEMA COM PRESSÃO DIFERENCIAL 44

1- Elementos do sistema 44

2- Placa de orifício 45

3- Sensores de pressão diferencial 51

III- TURBINA MEDIDORA DE VAZÃO 57

1- Introdução 57

2- Turbina padrão integral 57

IV- MEDIDOR MAGNÉTICO DE VAZÃO 71

1- Introdução 71

2- Relações matemáticas 71

3- Conceito 72

4- Elemento primário 72

5- Elemento secundário 74

6- Conector tubo-transmissor 75

7- Instrumento receptor 75

8- Classificação dos medidores 75

9- Características e aplicações 76

10- Vantagens e limitações 78

11- Conclusão 79

V- MEDIDOR DE VAZÃO DESLOCAMENTO POSITIVO 80

1- Introdução 80

2- Princípio de funcionamento 80

3- Características e aplicações 81

4- Tipos de medidores 81

5- Vantagens e desvantagens 84

6- Conclusão 84

VI- MEDIDOR DE VAZÃO CORIOLIS 85

1- Introdução 85

2- Relações matemáticas 85

3- Calibração 86

4- Medidor industrial 87

5- Características 88

6- Aplicações 88

7- Critérios de seleção 88

8- Limitações 88

9- Conclusão 89

VII- MEDIDOR DE VAZÃO ULTRA-SÔNICO 90

1- Introdução 90

2- Tipo diferença de tempo 90

3- Tipo diferença de freqüência 90

4- Efeito Doppler 91

ANEXO I - MEDIDOR ULTRA-SÔNICO CONTROLOTRON 93

ANEXO II - VANTAGENS E DESVANTAGENS DOS MEDIDORES 101 ANEXO III- PROCEDIMENTOS E CUIDADOS QUE DEVEM SER TOMADOS COM

MEDIDORES DE DESLOCAMENTO POSITIVO 108

ANEXO IV- HISTÓRICO DA MEDIÇÃO NA E&P BACIA DE CAMPOS 112 ANEXO V- ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA 119 ANEXO VI- SELECIONANDO O MEDIDOR CORRETO 155

I - MEDIÇÃO DE VAZÃO 1- Introdução

A medição da vazão é essencial a todas as fases da manipulação dos fluidos, incluindo a produção, o processamento, a distribuição dos produtos e das utilidades. Ela está associada com o balanço do processo e está diretamente ligada aos aspectos de compra e venda dos produtos.

A medição confiável e precisa requer uma correta engenharia que envolve a seleção do instrumento de medição, a sua instalação, a sua operação, a sua manutenção e a interpretação dos resultados obtidos.

O conjunto formado pelo medidor e os trechos da tubulação antes e depois do medidor deve ser considerado globalmente e não apenas o medidor isolado. Este conjunto pode incluir retificadores de vazão, reguladores do perfil da velocidade, removedores de vórtices, filtros, tomadas de medições.

A vazão de fluidos é complexa e nem sempre sujeita à análise matemática exata. Diferente do sólido, os elementos de um fluido vazando podem mover em velocidades diferentes e podem ser sujeitos a acelerações diferentes. 2- Conceito de Vazão

Quando se toma um ponto de referência, a vazão é a quantidade do produto ou da utilidade, expressa em massa ou em volume, que passa por ele, na unidade de tempo. A unidade de vazão é a unidade de volume por unidade de tempo ou a unidade de massa por unidade de tempo.

A vazão volumétrica é igual ao produto da velocidade do fluido pela área da seção transversal da tubulação.

A vazão mássica é igual ao produto da vazão volumétrica pela densidade do fluido . Na prática, como é difícil a medição direta da densidade do fluido e a composição dos gases é constante, usam-se as medições da temperatura e da pressão para inferir a densidade.

A partir da vazão volumétrica ou mássica pode-se obter a sua totalização, através da integral da vazão instantânea.

Outra dificuldade apresentada na medição da vazão está relacionada com a grande variedade de fluidos manipulados e com o elevado número de configurações diferentes. Por isso, é freqüente na medição da vazão o uso de extrapolações e de similaridades geométricas, dinâmicas e cinemáticas entre os diferentes modelos.

3- Vazão em Tubulação

Em aplicações industriais de medição da vazão, o mais comum é se ter fluidos em tubulações fechadas. O caminho mais empregado para transportar o fluido entre dois pontos da planta é a tubulação com seção circular. O círculo fornece a maior resistência estrutural e apresenta a maior área transversal por unidade de superfície da parede. Por isso, a não ser que seja dito diferente, as palavras tubo e tubulação sempre serão referidas a um conduite fechado, com seção circular e com diâmetro interno constante.

Ocasionalmente são encontrados conduites com seção transversal não-circular ou tubulações com seção circular porém não totalmente preenchidas pelo fluido. Quando se calcula o número de Reynolds, nestas situações, utiliza se o conceito de raio hidráulico, que é a relação entre a área transversal da vazão e o perímetro molhado.

Muitas fórmulas empíricas propostas para a medição da vazão em tubo são muito limitadas e podem ser aplicadas apenas quando as condições reais do processo se aproximam das condições do laboratório.

Para transferir o fluido de A para B, coloca-se uma tubulação ligando os, dois pontos e instala-se uma bomba nesta tubulação. Por causa do atrito entre o fluido móvel e a tubulação fixa, o fluido deve ser pressurizado, para que escoe. Ou seja, para haver vazão do fluido através da tubulação, a pressão na saída da bomba deve ser maior que a pressão na entrada do tanque B. Esta diferença de pressão produz a força que faz o fluido escoar através da tubulação. O fluido atinge um equilíbrio ou fica em vazão de regime permanente quando a força requerida para movê-lo através da tubulação é igual a força produzida pela diferença de pressão.

Vários parâmetros influem na queda de pressão ao longo da tubulação: o seu comprimento, o seu diâmetro interno, a velocidade , a densidade e a viscosidade do fluido que se move através da tubulação e o atrito provocado pela rugosidade da parede interna da tubulação no fluido. Existem equações teóricas e experimentais relacionando todos estes parâmetros.

A espessura da parede da tubulação, determinada pelo schedule do tubo, pode variar substancialmente para um determinado diâmetro da tubulação, enquanto o diâmetro externo permanece constante. Como

conseqüência, o diâmetro interno pode variar e por isso há ábacos e tabelas na literatura técnica para a sua obtenção. Em geral, quando o número do schedule aumenta, a espessura da parede aumenta e o diâmetro interno diminui.

Para um fluido ideal, sem atrito, a velocidade da vazão adjacente a superfície limitante é a mesma. Na realidade, a adesão entre o fluido e as superfícies da parede tendem a fazer a velocidade do fluido igual a velocidade da superfície do corpo. Para uma pequena distância da superfície a velocidade aumenta com a distância em uma taxa rápida por causa da viscosidade dentro do fluido. A vazão nesta camada fina é laminar. Esta camada fina é conhecida como a camada laminar limístrofe.

Há então uma zona de transição, onde os limites são indefinidos e além do qual a vazão é totalmente turbulenta. Mais distante da superfície, o efeito da superfície desaparece e a vazão não é perturbada. A camada entre o campo laminar e o perturbado é conhecida como a camada de limite da turbulência. Os efeitos da viscosidade são mais pronunciados próximo da parede ou do corpo sólido e diminui rapidamente com a distância da superfície limite. 4- Tipos de Vazão

A vazão pode ser classificada de muitos modos, tais como laminar ou turbulenta, ideal ou real, compressível ou incompressível, homogênea ou com mais de uma fase, viscosa ou sem viscosidade, regime estável ou instável, rotacional ou irrotacional, isentrópica, adiabática, isotérmica ou pode ter designação de cientistas, tais como vazão de Couette, de Rayleigh, de Stokes.

Para cada vazão, há hipóteses simplificadoras e as correspondentes equações permitem a análise. As simplificações se referem à viscosidade, densidade, pressão, temperatura, compressibilidade e energia em suas diferentes formas. Sempre há aspectos teóricos e informações experimentais.

Em qualquer situação existem três condições: 1. a lei de Newton do movimento se aplica para cada partícula em cada instante; 2. a equação da continuidade é válida; 3. nas paredes do tubo, a componente normal da velocidade é igual à velocidade do tubo. Para o fluido real, a

componente tangencial da velocidade do fluido na parede é zero, em relação à parede. 4.1- Vazão Ideal ou Real

O fluido ideal não tem viscosidade e por isso não pode haver movimento rotacional das partículas em torno de seus centros de massa e nem tensão de cisalhamento. A vazão de um fluido sem viscosidade é chamada de vazão ideal e pode ser representada por uma única vazão resultante. A vazão ideal é irrotacional. Na vazão ideal as forças internas em qualquer seção são sempre perpendiculares a seção. As forças são puramente forças de pressão. Tal vazão é aproximada e nunca é conseguida na prática.

A vazão de um fluido viscoso é chamada de vazão real. Vazão viscosa e vazão real são sinônimos. Todos os fluidos reais possuem algum grau de viscosidade. 4.2- Vazio Laminar ou Turbulenta

A vazão laminar é assim chamada por que todas as partículas do fluido se movem em linhas distintas e separadas. As partículas do fluido se movem em linhas retas paralelas ao eixo da tubulação, de modo ordenado. A ação é como se as lâminas do fluido escorregassem relativamente entre si. No caso da vazão laminar em uma tubulação circular, a velocidade adjacente a parede é zero e aumenta para um máximo no centro do tubo. O perfil da velocidade é uma parábola e a velocidade média da vazão volumétrica é a metade da velocidade máxima no centro.

A vazão laminar é governada pela Lei de Newton da viscosidade. Ela pode ser considerada como a vazão em que toda a turbulência é amortecida pela ação da viscosidade. Por isso, os termos vazão laminar e vazão viscosa são equivalentes.

A vazão laminar é caracterizada por um movimento suave e contínuo do fluido, com pouca deformação.

A vazão laminar é conseguida de vários modos: fluido com pequena densidade, movimento em baixa velocidade, pequenos tamanhos dos corpos como os microrganismos nadando no mar ou fluido com alta viscosidade, tais como os óleos lubrificantes. A vazão laminar ocorre para vazões com Re menor que 2.000.

Um modo experimental de verificar quando um fluido está em vazão laminar é introduzir um filamento fino de um líquido colorido na vazão do fluido, através de um tubo de vidro. As trajetórias de todas as partículas do fluido serão paralelas as paredes do tubo e portanto o líquido se move em uma linha reta, como se estivesse dentro de um tubo fino mergulhado no fluido. Este estado da vazão depende da viscosidade, da densidade e da velocidade do fluido. Quando se aumenta a velocidade, a vazão continua laminar até se atingir um valor crítico, acima do qual, o líquido colorido começa a se dispersar e misturar com o fluido vazante. Neste ponto, as partículas do líquido colorido não são mais paralelas as paredes do tubo mas sua velocidade possui componentes transversais. Esta forma de vazão é chamada de turbulenta.

Na vazão turbulenta não se tem linhas de vazão distintas mas o fluido consiste de uma massa de redemoinhos. As partículas não seguem a mesma trajetória. O perfil de velocidade mostra a velocidade máxima também no centro, mas a velocidade próxima das paredes da tubulação é igual a metade da máxima velocidade. O perfil é mais chato para um tubo liso do que para um tubo rugoso.

Fig. 2. Vazão turbulenta

Erroneamente se pensa que é mais fácil medir .vazões laminares. Na prática industrial e na natureza, a maioria das vazões é turbulenta e muitos medidores só conseguem medir vazões com número de Reynolds acima de um determinado limite, tipicamente de 104. 4.3- Vazão Estável ou Instável

A vazão estável, também chamada de vazão em regime, é aquela conseguida quando, em qualquer ponto, a velocidade de partículas sucessivas do fluido é a mesma em períodos sucessivos de tempo (∂ v/∂ t = 0 ). Na vazão estável a velocidade é constante em relação ao tempo, mas pode variar em diferentes pontos ou com relação à distância (∂ v/∂ t ≠ 0 ). Na vazão estável a velocidade é constante com o tempo, e por isso as outras variáveis (pressão, densidade) também não variam com o tempo.

Obtém-se vazão estável somente quando a profundidade, inclinação, velocidade, área da seção transversal da tubulação são constantes ao longo do comprimento da tubulação. A vazão estável é obtida somente com a vazão laminar. Na vazão turbulenta há flutuações continuas na velocidade e na pressão em cada ponto. Porém, se os valores flutuam em torno de um valor médio constante, de modo simétrico, a vazão pode ser considerada estável. Na vazão estável, as condições são usualmente constantes no tempo, embora, em determinado momento, elas não sejam necessariamente as mesmas em seções diferentes.

Na vazão instável, a velocidade varia com o tempo (∂ v/∂ t ≠ 0 ) e como conseqüência, as outras condições (pressão, densidade, viscosidade) também variam em relação ao tempo. Depois de muito tempo, a vazão

instável pode se estabilizar ou ficar zero. Esta variação da vazão pode ser lenta, como resultado da ação de uma válvula de controle proporcional ou pode ser rápida, como o resultado do fechamento repentino, que pode produzir o fenômeno conhecido como golpe de aríete ou martelo d'água. A vazão instável acontece também quando se tem a vazão de um reservatório para outro, em que o equilíbrio é conseguido somente quando os dois níveis se igualam.

A vazão instável também inclui o movimento periódico ou cíclico, tal como o das ondas do mar ou o movimento do mar em estuários e outras oscilações. A diferença entre tais casos e a vazão média de regime em vazões turbulentas é que os desvios da média da vazão instável e a escala de tempo são muito maiores. 4.4- Vazão Uniforme e Não-uniforme

Tem-se uma vazão uniforme quando o valor e a direção da velocidade não mudam de um ponto a outro no fluido, ou seja, a velocidade não varia com a distância percorrida (∂ v/∂ t = 0). Na vazão uniforme, as outras variáveis do fluido (pressão, densidade, viscosidade) também não variam com a distância.

A vazão de líquidos sob pressão através de tubulações longas com diâmetro constante é uniforme, com a vazão estável ou instável.

Ocorre a vazão não-uniforme quando a velocidade, profundidade, pressão ou densidade do fluido varia de um ponto a outro na vazão (∂ v/∂ t ≠ 0 ). A vazão em um tubo com seção variável é não-uniforme. 4.5- Vazão Volumétrica ou Mássica

Os medidores industriais podem medir a vazão volumétrica (volume/tempo) ou mássica (massa/tempo). A massa, junto com as unidades de comprimento e de tempo, constitui a base para todas as medidas

físicas. Como um padrão fundamental de medição, a unidade de massa não é derivada de nenhuma outra fonte. As variações de temperatura, pressão, densidade, viscosidade, condutividade térmica ou elétrica não afetam a massa do fluido cuja vazão está sendo medida. Por exemplo, em determinadas temperaturas e pressões, a água é sólida, líquida ou gás. Qualquer que seja o estado da água, porém, 1,0 quilograma de massa de água, gelo ou vapor permanece exatamente 1,0 quilograma.

Atualmente, já é disponível comercialmente medidores diretos de vazão mássica, como o tipo Coriolis, o termal e o medidor com dois rotores. Como a massa do fluido independe de medições de outras variáveis do processo, como pressão, temperatura ou densidade, a medição da vazão mássica é mais vantajosa que a medição da volumétrica, na maioria das aplicações. Porém, em sistemas envolvendo tanques de armazenagem, é essencial que seja medida a vazão volumétrica.

A maioria dos medidores industriais mede a velocidade e infere a vazão volumétrica do fluido. A partir da velocidade e da área da seção transversal da tubulação tem-se a vazão volumétrica. Como o volume do fluido compressível depende .umbilicalmente da pressão e da temperatura, deve-se conhecer continuamente os valores da pressão e da temperatura para que o valor do volume tenha significado prático. Como a pressão estática e a temperatura do processo variam continuamente, para compensar estes desvios dos valores padrão de projeto, medem-se a pressão e a temperatura e fazem-se as correções, obtendo-se a vazão volumétrica compensada. Na prática, a maioria das medições de vazão de líquidos não tem nenhuma compensação, a minoria das vazões de líquidos possui apenas compensação da temperatura. A maioria absoluta das vazões de gases necessita da compensação da pressão e da temperatura, uma minoria reduzida não faz qualquer compensação e algumas aplicações requerem ainda a medição e compensação da densidade, além das medições de pressão e temperatura. Há aplicações onde se mede a temperatura e usa o seu valor para compensar a variação provocada simultaneamente no volume e na densidade do fluido. 4.6- Vazão Incompressível e Compressível

Na vazão incompressível o fluido se move com a densidade constante. Nenhum fluido é verdadeiramente incompressível, desde que até os líquidos podem variar a densidade quando submetidos à altíssima pressão. Na prática, para fluidos com número de Mach menor que 0,3 a vazão pode ser considerada incompressível. É quase impossível se atingir a velocidade de líquido de 100 m/s, por causa da altíssima pressão requerida. Por isso o líquido é considerado incompressível.

A diferença essencial entre um fluido compressível e um incompressível está na velocidade do som. Em um fluido incompressível a propagação da variação da pressão é praticamente instantânea; em um fluido compressível a velocidade é finita. Um pequeno distúrbio se propaga na velocidade do som.

Quando a velocidade do fluido se iguala a velocidade do som no fluido, a variação da densidade (ou do volume) é igual a variação da velocidade. Ou seja, grande variação da velocidade, em vazão de alta velocidade, causa grande variação na densidade do fluido.

4.7- Vazão monofásica e bifásica

Nenhum medidor de vazão pode distinguir entre um líquido puro e um líquido contendo ar ou gás entranhado. O gás entranhado pode resultar em uma medição com grande erro, mesmo com pequenas quantidades de gás. Quando se tem um medidor construído para medir líquido e há gases em suspensão ou quando se tem um medidor para gases e há condensado ou líquido entranhado, há erros grosseiros de medição. Para se ter medições com erros mínimos devem se instalar eliminadores de gás para garantir que não há nenhum gás entranhado no líquido medido.

Os eliminadores de ar reduzem a velocidade do fluido em uma câmara para dar tempo aos gases escaparem antes de reentrar na tubulação. Quando o gás se acumula, o nível do líquido cai, baixando uma bóia que abre um “vent” para liberar o gás do eliminador. É importante que seja mantida uma pressão de retomo na saída suficiente para garantir uma vazão de descarga correta do gás.

Atualmente há desenvolvimento de medidores para a indústria de petróleo para medir e distinguir as vazões de diferentes fases.

As vazões com duas fases ocorrem quando há instabilidade e turbulências na tubulação e dependem das velocidades dos fluidos. As mais freqüentes são: 1. Vazão de bolha (bubble) quando há bolhas de gás dispersas através do líquido. 2. Vazão plug, quando há grandes bolhas de gás na fase líquida. 3. Vazão estratificada quando há uma camada de líquido abaixo de uma camada de gás 4. Vazão ondulada que é parecida com a vazão estratificada porém a interface é ondulada devido a altas

velocidades. 5. Vazão anular quando há um filme líquido nas paredes internas com gás no centro. 6. Vazão spray com gotas de líquido dispersas no gás. 5- Distúrbios na Medição

A precisão estabelecida para a medição da vazão é baseada na vazão de regime de um fluido newtoniano, homogêneo, com uma única fase, com um perfil de velocidade constante, com o coeficiente de descarga obtido em uma tubulação com extenso trecho reto.

Os desvios destas condições de referência afetam a medição e o medidor, desde a introdução de erros de polarização até a destruição total do elemento sensor de vazão. 5.1- Cavitação

Pode se ferver o líquido de dois modos distintos: • aumentando a sua temperatura e mantendo constante a sua pressão; • diminuindo a sua pressão e mantendo constante a sua temperatura.

Por definição, a cavitação é a ebulição de um líquido causada pela diminuição da pressão, em vez de ser provocada pelo aumento da temperatura. É a formação de cavidades cheias de vapor dentro do líquido, causada pela despressurização do fluido em movimento, quando ele passa por alguma restrição e a pressão é reduzida a um valor abaixo da pressão de vapor do fluido, sem variação da temperatura ambiente. Quando a pressão a jusante aumenta, as cavidades de vapor formadas entram em colapso, gerando ondas de, choque internas que resultam em ruído e danos materiais.

Os gases dissolvidos e as bolhas de gás nos líquidos fornecem os pontos nucleativos e estão presentes no processo de formação da cavitação. Com concentrações de gases na faixa de 40 ppm os fluidos podem cavitar em pressão estática mais elevada. Geralmente, a cavitação começa em mais alta pressão estática e menor velocidade em tubulações com diâmetros maiores. Uma vez começada, a cavitação contínua em pressão estática maiores que a pressão inicial.

A cavitação ocorre em um sistema quando a pressão se reduz suficientemente, ou por atrito, ou por separação do fluido, ou por restrição apresentada por válvula, obstáculo, elemento de vazão gerador de pressão diferencial. Mesmo em um sistema com tubulação bem projetado, pode aparecer a cavitação quando a válvula de controle ou de alivio é aberta repentinamente.

Na medição de vazão com geração a pressão diferencial, tem se uma queda brusca da pressão após o elemento primário. Quando a pressão da tubulação cai, aproximando se da pressão de vapor do líquido da linha, começa a cavitação.

A cavitação depende da temperatura e da pressão estática da tubulação e da pressão de vapor do fluido. A cavitação quando intensa pode destruir a tubulação, restringir a vazão, arruinar o elemento primário,

produzir vibrações nas estruturas e produzir níveis de ruído inaceitáveis. O flashing ou flacheamento é um fenômeno análogo a cavitação. Há cavitação quando o líquido se

transforma em vapor, quando a pressão cai e depois, o vapor volta para o estado líquido, quando a pressão volta a aumentar. No flacheamento, o líquido se transtorna em vapor e permanece vapor, pois a pressão recuperada ainda é menor que a pressão de vapor do fluido.

A maioria dos problemas de cavitação ou flacheamento ocorre na medição de líquidos voláteis, com vapores formados antes e depois do elemento primário ou de vapores que se acumulam na tubulação. Os vapores podem ser eliminados pelo uso de selos ou purgas. A formação de vapores antes e depois do elemento primário pode ser evitada pelo uso de seguinte: • placa de orifício segmentar ou excêntrica em linhas horizontais; • furo de dreno na placa de orifício, quando a quantidade vapor é pequena; • instalação vertical, com o fluxo na direção ascendente.

A cavitação em medidores de vazão é geralmente remediada ou pelo aumento da pressão a montante ou a jusante do medidor ou pela diminuição da temperatura do líquido para baixar suficientemente a sua pressão de vapor.

Como a geração da cavitação e do flashing também pode ser devida ou facilitada pela presença de gases no líquido, evita-se estes inconvenientes não permitindo a formação de vazão com duas fases. 5.2- Vazão Pulsante

Quando todas as variáveis associadas à vazão do fluido, tais como pressão, velocidade, densidade, viscosidade, massa ou volume não se alteram ou variam muito lentamente (em relação à resposta de freqüência do sistema de medição de vazão), a vazão está em regime permanente (steady). Se qualquer uma dessas variáveis variar ciclicamente em relação ao .tempo, em um ponto da tubulação, a vazão é chamada de pulsante.

A vazão pulsante é geralmente causada por equipamentos reciprocantes ou rotativos, como compressores, bombas ou turbinas e menos freqüentemente, por válvulas de alívio, líquidos que oscilam em uma pequena porção de uma linha de gás ou vapor, bolhas e variações cíclicas da carga do processo.

O efeito da vazão pulsante é sentido como flutuações da pressão diferencial ou total, geralmente detectáveis no ponteiro do indicador ou na pena do registrador. Quando a vazão está pulsante, o indicador de vazão volumétrica dá uma leitura errada e com poucas exceções, o indicador i, apresenta uma vazão maior que a real. 5.3- Tubulação e Acessórios

A vazão em uma tubulação reta com seção circular sofre uma queda da pressão ao longo da linha, dada pela equação de Darcy-Fanning ou de Darcy-Weisbach.

Há vários parâmetros da tubulação que influem na perda de carga da vazão: o material de que o tubo é feito, o método de fabricação, o diâmetro, o tratamento da superfície e a idade da tubulação.

A utilização de trocadores de calor, válvulas, expansões, contrações, conexões, curvas, cotovelos e tês provoca quedas adicionais da pressão. a) Válvulas As válvulas podem ser divididas em dois grupos principais, quando se considera a resistência a vazão: • a válvula globo, que apresenta grande resistência a vazão usada para controle contínuo; • a válvula com disco gaveta que representa uma pequena resistência e geralmente usada para abrir e fechar

totalmente. A maioria das válvulas se situa entre estes dois grupos. b) Conexões

As principais conexões da tubulação são as uniões, os tês de separação, os cotovelos de deflexão, os redutores e os expansores.

Normalmente, a queda de pressão provocada por estas conexões é dada por tamanhos equivalentes de tubulação reta que causariam a mesma queda de pressão, sob as mesmas condições de vazão. 5.4- Golpe de Ariete

O golpe de ariete é um fenômeno que aparece e se propaga na tubulação causado pela variação brusca de alguma seção ou pela abertura ou fechamento rápido de uma válvula. Ele é chamado também de martelo d'água.

Quando se corta rapidamente a vazão de um fluido aparece uma pressão elevada, no sentido contrário ao da vazão.

Os efeitos elásticos da água e das paredes do tubo afetam as condições, amortecendo a pressão ao longo da linha. As partes mais afetadas estão mais próximas a válvula. Estas partes são comprimidas e as paredes adjacentes são expandidas pelo aumento de pressão provocado pelo fechamento.

O golpe de ariete é inconveniente porque pode destruir medidores de vazão, válvulas de controle e bombas e pode ser útil no transporte de água através do carneiro hidráulico. 6- Medidores de Vazão 6.1. Sistema de Medição

Os medidores de vazão consistem de duas partes distintas, cada uma exercendo uma função diferente: • elemento primário; • elemento secundário.

O elemento primário está em contato direto com o fluido (parte molhada), resultando em alguma forma interação. Esta interação pode ser a separação do jato do fluido, aceleração, queda de pressão, alteração da temperatura, formação de vórtices, indução de força eletromotriz rotação de impellers, criação de uma força de impacto, criação de momentum angular, aparecimento de força de Coriolis, alteração no tempo ,de propagação e muitos outros fenômenos naturais.

O elemento secundário tem a função de medir a grandeza física gerada pela interação com a vazão do fluido e transformá-la em volume, peso ou vazão instantânea. O elemento secundário é finalmente ligado a um instrumento receptor de “display”, como indicador, registrador ou totalizador.

As condições para a instalação apropriada e a operação correta, os erros e as outras características do elemento primário são independentes e diferentes das características do elemento secundário, de modo que eles devem ser tratados separadamente. O elemento primário se refere especificamente à medição de vazão e o elemento secundário se refere à instrumentação em geral. A placa de orifício é o elemento primário que mede a vazão gerando uma pressão diferencial e será estuda aqui. O transmissor de pressão diferencial, que é o elemento secundário associado a ela, será visto aqui muito superficialmente, para completar o estudo do sistema de medição. Este mesmo transmissor pode ser usado em outras aplicações, para medir nível ou pressão manométrica.

O sistema de medição de vazão ainda inclui o instrumento de display que pode ser: • indicador da vazão instantânea; • registrador da vazão; • totalizador da vazão acumulada em determinado período de tempo. 6.2. Classes de Medidores

As classificações dos medidores de vazão se baseia somente no tipo do elemento primário ou no princípio físico envolvido.

Os medidores de vazão podem ser divididos em dois grandes grupos funcionais: • medidores de quantidade; • medidores de vazão instantânea.

Os medidores de vazão podem ser ainda classificados sob vários aspectos, como: • relação matemática entre a vazão e o sinal gerado, se linear ou não-linear; • tamanho físico do medidor em relação ao diâmetro da tubulação, igual ou diferente; • fator K, com ou sem; • tipo da vazão medida, volumétrica ou mássica; • manipulação da energia, aditiva ou extrativa.

Obviamente, há superposições das classes; por exemplo, a medição de vazão por placa de orifício

envolve um medidor de vazão volumétrica instantânea, com saída proporcional ao quadrado da vazão, com diâmetro total, sem fator K e com extração de energia. O medidor de deslocamento positivo com pistão reciprocante é um

medidor de quantidade, linear, com fator K, com diâmetro total e com extração de energia. O medidor magnético é um medidor de vazão volumétrica instantânea, com fator K, diâmetro total e com adição de energia.

a) Quantidade ou Vazão Instantânea

No medidor de quantidade, o fluido passa em quantidades sucessivas, completamente isoladas, em peso ou em volumes, enchendo e esvaziando alternadamente câmaras de capacidade fixa e conhecida, que são o elemento primário. O elemento secundário do medidor de quantidade consiste de um contador para indicar ou registrar a quantidade total que passou através do medidor.

O medidor de quantidade é, naturalmente, um totalizador de vazão. Quando se adiciona um relógio para contar o tempo, obtém-se também o registro da vazão instantânea.

No medidor de vazão instantânea, o fluido passa em um jato contínuo. O movimento deste fluido através do elemento primário é utilizado diretamente ou indiretamente para atuar o elemento secundário. A vazão instantânea, ou relação da quantidade de vazão por unidade de tempo, é derivada das interações do jato e o elemento primário por conhecidas leis físicas teóricas suplementadas por relações experimentais. b) Relação Matemática Linear e Não-Linear

A maioria dos medidores de vazão possui uma relação linear entre a vazão e a grandeza física gerada. São exemplos de medidores lineares: turbina, magnético, área variável, resistência linear para vazão laminar, deslocamento positivo.

O sistema de medição de vazão mais aplicado, com placa de orifício é não linear. A pressão diferencial gerada pela restrição é proporcional ao quadrado da vazão medida. Exemplo de outro medidor não-linear é o tipo alvo, onde a força de impacto é proporcional ao quadrado da vazão.

A rangeabilidade do medidor, que é a relação entre a máxima vazão medida dividida pela mínima vazão medida, com o mesmo desempenho é uma função inerente da linearidade. Os medidores lineares possuem a rangeabilidade típica de 10:1 e os medidores com grandeza física proporcional ao quadrado da vazão possuem a rangeabilidade de 3: 1.

Exemplos típicos de medidores de vazão não lineares: placa de orifício, venturi, bocal, target, calha parshall (exponencial); medidores lineares: turbina, deslocamento positivo, magnético, coriolis, área variável.

c) Diâmetros Totais e Parciais do Medidor

Sob o aspecto da instalação do medidor na tubulação, há dois tipos básicos: com buraco pleno (full bore)

ou de inserção. A maioria dos medidores possuem aproximadamente o mesmo diâmetro que a tubulação onde ele é

instalado. A tubulação é cortada, retira-se um carretel do tamanho do medidor e o instala, entre flanges ou rosqueado.

Tipicamente o seu diâmetro é aproximadamente igual ao da tubulação e ele é colocado direto na tubulação, cortando a tubulação e inserindo o medidor alinhado com ela. Esta classe de medidores é mais cara e com melhor desempenho. Exemplos de medidores com diâmetro pleno: placa, venturi, bocal, turbina, medidor magnético, deslocamento positivo, target, vortex.

A outra opção de montagem é através da inserção do medidor na tubulação. Os medidores de inserção podem ser portáteis e são geralmente mais baratos porém possuem desempenho e precisão piores. Exemplos de medidores: tubo pitot e turbina de inserção.

d) Medidores Com e Sem Fator K

Há medidores que possuem o fator K, que relaciona a vazão com a grandeza física gerada. A desvantagem desta classe de medidores é a necessidade de outro medidor padrão de vazão para a sua aferição periódica. São exemplos de medidores com fator K: turbina, magnético, Vortex.

O sistema de medição de vazão com placa de orifício é calibrado e dimensionado a partir de equações matemáticas e dados experimentais disponíveis. A grande vantagem da medição com placa de orifício é a sua calibração direta, sem necessidade de simulação de vazão conhecida ou de medidor padrão de referência.

e) Medidores Volumétricos ou Mássicos

A maioria dos medidores industriais mede a velocidade do fluido. A partir da velocidade se infere o

valor da vazão volumétrica (volume = velocidade x área). A vazão volumétrica dos fluidos compressíveis depende

da pressão e da temperatura. Na prática, o que mais interessa é a vazão mássica, que independe da pressão e da temperatura.

Tendo-se a vazão volumétrica e a densidade do fluido pode-se deduzir a vazão mássica. Porém, na instrumentação, a medição direta e em linha da densidade é difícil e complexa. Na prática, medem-se a vazão volumétrica, a pressão estática e a temperatura do processo para se obter a vazão mássica, desde que a composição do fluido seja constante.

Atualmente, já são disponíveis instrumentos comerciais que medem diretamente a vazão mássica. O mais comum é o baseado no princípio de Coriolis.

f) Energia Extrativa ou Aditiva

Em termos simples, os medidores de vazão podem ser categorizados sob dois enfoques diferentes

relacionados com a energia: ou extraem energia do processo medido ou adicionam energia ao processo medido. Como o fluido através da tubulação possui energia, sob várias formas diferentes, como cinética,

potencial, de pressão e interna, pode-se medir a sua vazão extraindo alguma fração de sua energia. Este enfoque de medição envolve a colocação de um elemento sensor no jato da vazão. O elemento primário extrai alguma energia do fluido suficiente para faze-lo operar.

A vantagem desta filosofia é a não necessidade de uma fonte externa de energia. Porém, o medidor é intrusivo e oferece algum bloqueio a vazão, o que é uma desvantagem inerente a classe de medição.

Exemplos de medidores extratores de energia: placa de orifício, venturi, bocal, alvo, cotovelo, área variável, pitot, resistência linear, vertedor, calha, deslocamento positivo, turbina e vortex.

O segundo enfoque básico para medir a vazão é chamado de energia aditiva. Neste enfoque, alguma fonte externa de energia é introduzida no fluido vazante e o efeito interativo da fonte e do fluido é monitorizado para a medição da vazão. A medição com adição de energia é não-intrusivo e o elemento primário oferece nenhum ou pequeno bloqueio a vazão. Como desvantagem, é necessário o uso de uma fonte externa de energia.

Exemplos de medidores aditivos de energia: magnético, sônico, termal. O número de medidores baseados na adição da energia é menor que o de medidores com extração da

energia. Isto é apenas a indicação do desenvolvimento mais recente destes medidores e este fato não deve ser interpretado de modo enganoso, como se os medidores baseados na adição da energia sejam piores ou menos favoráveis que os medidores baseados na extração da energia. 7. Seleção e Aplicação dos Medidores

Quanto maior o número de opções, mais difícil é a escolha. A seleção do medidor de vazão é uma tarefa difícil e complexa, geralmente exigindo várias iterações para se chegar à melhor escolha. Para dificultar a escolha, a vazão é a variável do processo industrial que possui o maior número de diferentes elementos sensores e de medidores.

São disponíveis tabelas relacionando os tipos dos medidores e as suas aplicações ideais, aceitáveis e proibidas. Porém, tais tabelas não são completas e não consideram todas as exigências e aplicações. Às vezes, elas são apresentadas pelo suspeito fabricante de determinado medidor e relacionam imparcialmente as principais vantagens do medidor especifico. A seleção do medidor é algo tão complicado que não deve-se limitar a uma tabela bi-dimensional.

A seleção do medidor é feita em dois passos: 1. identificar os que medidores que sejam tecnicamente capazes de fazer a medição de vazão e que sejam

disponíveis em material adequado ao fluido manipulado; 2. selecionar a melhor escolha entre os disponíveis.

Pode-se, fazer um check-list das características chave que o medidor deve ter. Esta lista serve para eliminar os medidores tecnicamente inadequados.

Para verificar se o medidor de vazão atende às especificações especiais como vazão reversa, vazão pulsante, tempo de resposta, é necessário estudar as especificações de cada medidor em detalhe ou consultar os respectivos fabricantes.

Embora os passos acima eliminem tecnicamente os medidores inadequados, eles não necessariamente apontam um único medidor que seja tecnicamente adequado à aplicação. Um medidor pode possuir algumas das características requeridas mas pode não ter a combinação de todas as características desejadas.

O tamanho da lista dos medidores tecnicamente adequados depende da complexidade da aplicação. Há aplicação complexa onde um único medidor é aplicável: o medidor de relação cruzado é o único que pode medir um líquido não condutor elétrico e altamente corrosivo com sólido em suspensão. Em aplicações simples, como a medição de água limpa, podem se usar praticamente todos os medidores.

Para se estreitar a escolha, o técnico deve se concentrar nos motivos para a medição da vazão. Por exemplo, a característica mais importante pode ser a alta precisão, a repetibilidade por longos períodos de tempo, o baixo custo da instalação ou a facilidade de manutenção.

É essencial que as exigências sejam objetivamente especificadas, senão pode ser escolhido um medidor utópico ou inexistente. Atualmente, existem medidores em desenvolvimento que ainda não são comercialmente disponíveis, como medidores de vazão com duas fases.

Os parâmetros que devem ser considerados na escolha e na especificação do medidor de vazão são os seguintes: 1. Dados da vazão 2. Custo 3. Função do instrumento 4. Desempenho 5. Geometria 6. Instalação 7. Fluido manipulado 8. Perda de pressão permanente 9. Tecnologia 7.1. Dados da Vazão

Antes da seleção do medidor de vazão mais conveniente e para qualquer medidor escolhido é mandatório se ter todos os dados disponíveis da vazão de modo claro, confiável e definitivo. A vazão requer mais dados que a temperatura e a pressão, pois devem ser conhecidas as condições e instalações do processo e do fluido medido.

É necessário o conhecimento dos seguintes dados da vazão : 1. o tamanho da linha a ser usada. Este dado pode ser usado como verificação do dimensionamento do medidor.

Nunca se poderá ter um medidor de vazão com diâmetro maior que o diâmetro da linha onde ele será montado. Quando se obtém o diâmetro do medidor maior do que o da linha, geralmente há um erro relacionado com a vazão máxima do processo, que está superdimensionada;

2. a faixa de medição vazão máxima, mínima e normal. A vazão é a variável de processo mais afetada pela rangeabilidade, que é a habilidade do medidor operar desde vazão muito pequena até vazão muito elevada, com o mesmo desempenho. A maioria dos erros de vazão é devida à medição de baixas vazões em um medidor dimensionado para elevada vazão máxima;

3. a responsabilidade e a integridade do instrumento; se a aplicação é de simples indicação ou é de custódia (cobra e venda de produto), se a falha do medidor compromete a segurança do processo;

4. o tipo de vazão se pulsante, constante, com golpe de ariete, turbulenta, laminar; 5. as características e tipo do fluido medido (líquido, vapor ou gás), qualidade do vapor (saturado ou

superaquecido), condições (sujeira, sólidos em suspensão, abrasividade), pressão estática, temperatura do processo, perda de carga permissível, velocidade, número de Reynolds correspondente, densidade, viscosidade, compressibilidade, peso molecular do gás ou do vapor e pressão de vapor do líquido.

6. os efeitos de corrosão química do fluido, para a escolha dos materiais em contato direto com o processo. 7.2. Custo

O custo do sistema de medição incluem os relativos a instalação, operação, consumo de energia, pressão de bombeamento, manutenção e calibração. A maioria das pessoas só considera os custos diretos e imediatos da compra dos instrumentos, o que é incompleto.

Por exemplo, os custos de um sistema de medição com placa de orifício incluem: 1. placa (dimensionamento, confecção); 2. instalação da placa: flange com furo ou furos na tubulação; 3. transmissor pneumático, eletrônico convencional ou inteligente. Se pneumático, ainda há custos do filtro

regulador de pressão de alimentação; 4. tomada do transmissor à tubulação, com distribuidor de três ou cinco válvulas para bloqueio e equalização; 5. instrumento receptor com escala raiz quadrática ou com escala linear mais um instrumento ou circuito extrator

de raiz quadrada; 6. se não houver trecho reto suficiente para a instalação da placa, deve-se adicionar um retificador de vazão, que é

muito caro;

7. quando se quer uma maior precisão do sistema de medição, pode-se montar a placa em um trecho reto especial, com as tomadas prontas, com acabamentos especiais, com centralização garantida da placa, porém este kit de medição é caríssimo.

Quando a perda de pressão permanente provocada pela placa é muito grande, deve-se aumentar a pressão na entrada do sistema (que custa algo) ou então trocar a placa de orifício por um tubo venturi, que provoca uma perda de carga muito menor mas que custa muito mais que a placa.

Existem ainda custos invisíveis relacionados com a manutenção futura e com as calibrações posteriores. Instrumentos sem peças móveis (p. ex., medidor magnético e vortex) normalmente requerem menos manutenção que instrumentos com peças móveis (p. ex., turbina e deslocamento positivo).

A calibração do medidor de vazão requer um padrão de vazão com classe de precisão superior a do medidor, que sempre custa muito mais que o medidor calibrado. O sistema com placa de orifício é calibrado em relação à pressão diferencial e por isso requer um padrão de pressão e não requer padrão de vazão. Quando se tem uma grande quantidade de medidores com fator K, que requerem calibrações periódicas, deve-se fazer um estudo econômico para implantação de um laboratório de vazão, em vez de enviar todos os medidores para o laboratório do fabricante ou um laboratório especializado.

O consumo de energia elétrica ou pneumática do sistema de medição também deve ser considerado. O custo da energia consumida depende da potência requerida pelo medidor, tempo que o medidor fica ligado e do valor da energia elétrica cobrada pelo distribuidor. Para os medidores baseados na extração da energia, os custos ainda do valor da vazão, densidade e viscosidade do fluido e eficiência da bomba ou compressor de acionamento. 7.3. Função

A função do instrumento receptor associado à vazão pode ser uma ou a combinação das seguintes: 1. indicação da vazão instantânea (ratemeter); 2. registro para totalização posterior ou apenas para verificação; 3. totalização direta da vazão, no local ou remota; 4. controle contínuo ou liga-desliga.

Medidores com saída em pulso (deslocamento positivo, turbina, vortex, coriolis) são convenientes para totalização; medidores com saída analógica (placa de orifício, magnético) são mais apropriados para registro e controle. Para a indicação, é indiferente se o sinal é analógico ou digital. Medidores com deslocamento positivo são totalizadores naturais de vazão e os rotâmetros de área variável são adequados para indicação local da vazão.

O instrumento que possui a indicação instantânea da vazão e simultaneamente uma chave para atuação liga-desliga de um contato é chamado de monitor de vazão. 7.4. Desempenho

O erro de medidor de vazão determina sua precisão e exatidão. A precisão depende dos erros aleatórios e a exatidão depende dos erros sistemáticos do medidor. Os erros sistemáticos podem ser diminuídos ou eliminados pela calibração correta do medidor. Os erros aleatórios são inerentes ao instrumento e nunca podem ser eliminados. Através da manutenção correta do instrumento, a sua precisão é mantida igual à nominal, expressa pelo fabricante quando o instrumento é feito e está novo.

A precisão do medidor inclui a repetibilidade, reprodutibilidade, linearidade, sensibilidade, rangeabilidade e estabilidade da operação. Em aplicações de controle e chave de vazão, a repetibilidade é mais importante que a igualdade. Em aplicações de compra e venda de produtos através da medição da vazão, a igualdade é tão importante quanto a repetibilidade.

Há basicamente dois tipos de medidores quanto à sua precisão: 1. expressa em percentagem do fundo de escala; 2. expressa em percentagem do valor medido.

No instrumento com precisão expressa em fundo de escala (ou em largura de faixa ou em unidade de engenharia) o erro absoluto é constante e o erro relativo aumenta hiperbolicamente com a diminuição da vazão medida. Os instrumentos que possuem erros .devidos ao zero e à largura de faixa tem precisão expressa em percentagem do fundo de escala, como o sistema com placa de orifício.

No instrumento com precisão expressa em valor medido, o erro relativo é constante e o erro absoluto diminui linearmente com a diminuição da vazão medida. Os instrumentos que possuem erro devido apenas à largura de faixa e não possui erro de zero tem precisão expressa em percentagem do valor medido, como a turbina.

A precisão expressa pelo fabricante é válida apenas para o instrumento novo e nas condições de calibração. A precisão total da malha é a resultante da soma das precisões do elemento sensor, do elemento secundário, do instrumento receptor, dos padrões de calibração envolvidos e das condições do local e dos procedimentos de calibração.

Geralmente, quanto mais preciso o instrumento, mais elevado é o seu custo. O medidor mais preciso é a turbina medidora de vazão, usada como padrão de calibração de outros medidores. Porém, o mesmo tipo de medidor pode ter diferentes precisões em função do fabricante, projeto de construção e materiais empregados.

Além da precisão da medição, são fatores importantes a estabilidade, contabilidade e disponibilidade do medidor. 7.5. Geometria

A geometria do processo inclui a tubulação fechada, esteira ou canal aberto; a disponibilidade de trechos retos antes e depois do local do medidor; a necessidade de uso adicional de retificadores de vazão e modificações das instalações existentes.

Medidores diferentes requerem trechos retos a montante e a jusante do medidor diferentes. Geralmente o trecho reto a montante é maior que o trecho reto a jusante. Quando o trecho reto for insuficiente, deve-se usar retificadores de vazão.

Quando o medidor é muito pesado, deve-se usar suporte para ele. Também, o medidor de vazão não pode provocar tensões mecânicas na tubulação onde ele é inserido.

As dimensões e o peso do medidor estão relacionados com a facilidade de armazenagem, manipulação e montagem do medidor na tubulação. A maioria dos medidores é instalada entre flanges e pelas especificações do fabricante, pode-se planejar os cortes na tubulação e a colocação das flanges adequadas para montar o medidor. É essencial que o medidor esteja alinhado com a tubulação, ou seja, que os eixos do medidor e da tubulação sejam coincidentes.

7.6. Instalação

A instalação do medidor inclui todos os acessórios, tomadas, filtros, retificadores, suportes e miscelânea

do medidor. Antes de escolher o medidor, deve-se avaliar a facilidade da instalação na tubulação já existente, a simplicidade da operação futura e a possibilidade de retirada e de colocação do medidor sem interrupção do processo.

Todo medidor de vazão deve ser montado em local de fácil acesso para o operador de campo do processo e principalmente, para o instrumentista reparador. Quando a retirada do medidor não pode afetar a operação do processo, deve-se prover um “by-pass” para o medidor. Medidores de vazão para compra e venda de material não pode ter “by-pass”. É disponível dispositivo para retirar e colocar placa de orifício na tubulação, sem interrupção do processo (válvula Daniel ou Pecos).

Medidores frágeis, com peças móveis e que manipulem fluidos com sólidos em suspensão, geralmente

requerem filtros a montante. Os inconveniente do filtro são o seu custo em si e o aumento da perda de carga permanente.

7.7. Faixa de Medição

A faixa de medição da vazão inclui os valores máximo e mínimo, largura de faixa, condições de pressão

estática e de temperatura do processo. Embora toda faixa teórica de medição seja de 0 até a vazão máxima, a rangeabilidade do medidor define a vazão mínima que pode ser medida com a mesma precisão que a máxima. Os medidores lineares possuem maior rangeabilidade que os medidores com saída proporcional ao quadrado da vazão, como a placa de orifício. Os medidores digitais possuem maior rangeabilidade que os analógicos.

O diâmetro do medidor de vazão é sempre menor que o diâmetro da tubulação; em raros casos ambos os diâmetros são iguais. Um medidor deve ser dimensionado ter capacidade de, no máximo, 80% da vazão máxima de projeto e a vazão normal de trabalho .deve estar entre 75 a 80% da vazão máxima do medidor. Quanto maior a vazão medida, menor é o erro relativo da medição, principalmente quando o medidor tem precisão expressa em percentagem do fundo de escala. Medidor de vazão com peças móveis que trabalhe muito tempo em sua vazão máxima tem vida útil diminuída drasticamente. Quando o medidor trabalha próximo da sua capacidade máxima, a velocidade do fluido é a máxima e há maior chance de haver cavitação do fluido dentro do medidor, que pode destruí-lo rapidamente.

7.8. Fluido

As características químicas e físicas do fluido que entra em contato direto com o medidor, como

corrosividade, viscosidade, abrasividade, sólidos em suspensão, valor e perfil da velocidade são determinantes na escolha do medidor de vazão e dos seus materiais constituintes.

O fluido serve para eliminar medidores. Por exemplo, o medidor magnético mede somente fluidos eletricamente condutores; a turbina mede somente fluidos limpos, o medidor ultra-sônico mede somente fluidos com partículas em suspensão. Dependendo do tipo da sujeira e do medidor, a solução é usar filtro antes do medidor, com os seus inconvenientes inerentes e custo adicional e inspeções periódicas.

O problema da corrosão química pode ser eliminado com a escolha adequada do material das partes molhadas e do fluido. Na literatura técnica, são disponíveis tabelas com a lista de materiais recomendados, aceitáveis e proibidos para uso com determinados produtos. No aspecto de corrosão e compatibilidade com fluidos, o melhor medidor é o magnético, por causa da grande variedade do material de revestimento e dos eletrodos.

O problema de erosão física pode ser eliminado com o dimensionamento correto do medidor, que resulte em velocidades baixas. Às vezes, a solução também envolve o uso de filtro para eliminar partículas abrasivas em suspensão. Medidores com peça móvel e com elemento intrusivo geralmente são mais susceptíveis à erosão e desgaste que os medidores sem peça móvel e não intrusivos.

O perfil de velocidade é muito importante quando se tem medidores de inserção, onde a posição do medidor deve ser matematicamente estabelecida para medir a velocidade média correta.

A temperatura e pressão do fluido são fundamentais, pois elas podem alterar o estado do fluido. Alta temperatura e baixa pressão podem transformar líquido em gás; alta pressão e baixa temperatura podem transformar gás em líquido. Praticamente todos os medidores de vazão tem projeto e construção para medir somente uma fase. A mudança de fase pode provocar grandes erros ou danificar o medidor de vazão.

7.9. Perda de Carga

A perda de carga permanente é a queda de pressão que o medidor provoca irrecuperavelmente na pressão

estática da tubulação. Os medidores intrusivos provocam grande perda de carga e os medidores não-intrusivos provocam pequena ou nenhuma perda de carga. Quanto maior a perda de carga provocada pelo medidor, maior deve ser a pressão a montante do medidor e como conseqüência, maior a pressão de bombeamento.

O medidor magnético praticamente não provoca queda de pressão adicional; o medidor ultra-sônico pode ser colocado externamente à tubulação (clamp-on) para medir a vazão. O outro inconveniente de se provocar grande perda de carga, além da maior pressão a montante, é a possibilidade de haver cavitação no líquido, que pode destruir o medidor. A cavitação é provocada por baixa pressão ou alta temperatura.

7.10. Tecnologia

A tecnologia empregada está associada à manutenção, tradição e número de peças de reposição. É uma

boa prática de engenharia padronizar um medidor de vazão, pois isso facilita a manutenção e diminui o número de peças de reposição. Nota-se que os medidores à base de energia extrativa são mais numerosos e mais usados que os medidores de energia aditiva. No Brasil, há medidores que tiveram um bom trabalho de marketing e são muito vendidos, como o medidor mássico coriolis. Outros medidores, com excelente desempenho, como o tipo vortex, são pouco conhecidos e pouco usados.

7.11. Medidor Universal Ideal de Vazão

Não existe um medidor ideal para ser usado universalmente para qualquer aplicação. Todo medidor de

vazão possui vantagens e limitações inerentes e para cada aplicação há um medidor mais conveniente, depois de analisados os aspectos técnicos e comerciais.

Para cada conjunto de condições e exigências de processo há um medidor mais adequado que deve ser o escolhido. Isto obriga o engenheiro ou o técnico conhecer os princípios básicos de todos os medidores de vazão e a aplicação ótima para cada tipo.

O ponto de partida para a escolha é o conhecimento prévio de todos os dados do processo da vazão. A escolha deve ser feita, baseada no compromisso entre o custo e o desempenho.

Porém, a escolha do melhor medidor de vazão não é suficiente para a futura medição precisa e confiável. O instrumento escolhido deve ser montado corretamente, mantido em perfeitas condições e os dados

fornecidos por ele devem ser interpretados e entendidos de modo exato e preciso. O medidor ideal teria as seguintes características : 1. alta rangeabilidade, podendo medir com pequeno erro, grandes e altas vazões; 2. sinal de saída linear com a vazão medida; 3. sinais de saída analógico e digital; 4. imunidade a ruídos e outras influências externas; 5. medição da vazão sem influência da densidade, viscosidade, condutividade e outras variáveis modificadoras; 6. perda de carga desprezível;

7. sem obstrução, para manipular fluidos com sólidos em suspensão; 8. sem peças moveis; 9. alta resistência a fluidos abrasivos e corrosivos; 10. capacidade de medir igualmente líquidos e gases; 11. capacidade de uso em altas e baixas temperaturas e altas pressões; 12. disponibilidade em diferentes tamanhos para ser usado em tubulações grandes e pequenas; 13. capacidade de ser instalado e retirado do processo sem interrupção da operação; 14. altíssima precisão (repetibilidade, linearidade, sem histerese e sem banda morta); 15. ausência de manutenção; 16. estabilidade, contabilidade e integridade; 17. facilidade e retenção da calibração (calibração requerida em longos intervalos de tempo).

8. Desempenho do Instrumento

8.1. Introdução A medição é o processo experimental de atribuir .números para as propriedades dos objetos ou eventos no

mundo real, de modo a descrevê-los quantitativamente. A medição das propriedades do objeto, não a descrição do objeto. A medição é a comparação de uma quantidade desconhecida com um valor padrão predeterminado adotado. O resultado completo de uma medição inclui: 1. um número que mostra quantas vezes a unidade padrão está contida na quantidade medida; 2. a unidade de engenharia da quantidade; 3. a tolerância da medição, expressa por limites de erro ou de incerteza.

Mede-se uma variável de processo, direta ou indiretamente. O valor da variável medida deve ser apresentado na unidade de engenharia e não em termos de corrente elétrica, sinal pneumático ou movimento mecânico. O processo que inclui a variável medida possui outras variáveis que podem influir e perturbar a medição. Para se medir uma variável, todas as outras variáveis que Interferem nela devem ser mantidas constantes para não haver erro.

O instrumentista confia na folha de especificação do fabricante onde estão definidas a precisão e as características do instrumento e deve proceder corretamente para obter a medição confessável, seguindo as instruções de operação e entendendo corretamente os conceitos básicos associados.

O elemento sensor primário produz uma saída que é função da variável medida, segundo uma lei matemática conhecida. A saída do elemento sensor pode ser um deslocamento mecânico ou uma variável elétrica, como tensão, corrente, resistência, capacitância. O elemento sensor intrusivo sempre perturba a variável medida, ou extraindo ou adicionando energia. A quantidade medida é sempre modificada pela medição, tomando impossível a medição perfeita e sem erro. O sensor é tanto melhor quanto menos influenciar a variável medida.

Para o instrumento desempenhar sua função de indicação, registro ou controle, é necessário converter o sinal de saída em outro mais manipulável e conveniente, mas preservando a informação contida no sinal original. O elemento de manipulação da variável condiciona o sinal de saída do elemento sensor para que o instrumento desempenhe a sua função, preservando a natureza física da variável medida.

O elemento de apresentação dos dados depende da função do instrumento: indicação pelo conjunto ponteiro escala ou através de dígitos, registro pelo conjunto pena gráfico, armazenamento em sistema digital.

A leitura feita pelo observador no elemento apresentador dos dados possui erros inerentes aos equipamentos e ao método da medição. Toda leitura apresenta erro e possui uma precisão.

A metrologia é a ciência da medição e é considerada monótona e desinteressante por muitos técnicos. Porém, ela é necessária e felizmente existem metrologistas para definir e monitorar os padrões.

8.2. Características do Instrumento

As características de desempenho do instrumento são importantes pois elas constituem a base para a

escolha do instrumento mais apropriado para a aplicação especifica. O instrumento possui características estáticas e dinâmicas.

Estático significa entradas e saídas estacionárias e dinâmico quer dizer entradas e saídas não estacionárias. Um sistema é chamado de estático se sua relação entrada/saída é independente da velocidade de variação da entrada. Todos sistemas físicos eventualmente violam esta definição quando a velocidade de variação da entrada aumenta. Assim, o termo estático é usualmente acompanhado por uma limitação que especifica a faixa para a qual o sistema é estática, como a faixa de freqüência estendendo de zero até algum valor [imite. Por exemplo, uma mola mecânica opera com variação de entrada lenta e relação força-deslocamento constante. Em

grandes variações da entrada, a massa da mola se torna um fator importante e a mola não se comporta mais como um dispositivo estático.

Um sistemas é chamado dinâmico se sua relação entrada-saída depende da taxa de variação da entrada. O sistema dinâmico tem armazenagem de energia e sua descrição requer mais de uma equação diferencial. O tempo de resposta de um sistema dinâmico é caracterizado por sua constante de tempo e freqüência natural. Os sistemas de instrumentação são dinâmicos, mas eles são projetados para ter constantes de tempo menores e freqüências naturais maiores do que as do sistema sendo medido. Por exemplo, em um sistema de controle com realimentação negativa, o tempo de resposta do elemento sensor é projetado e selecionado de modo a ser muito mais rápido que o sistema medido.

O comportamento transitório e dinâmico de um .instrumento é mais importante que o estático. Os instrumentos raramente respondem instantaneamente às variações da variável medida, mas exibem um atraso, devido a várias causas, como a inércia da massa, a capacitância termal, elétrica e fluídica, a resistência de transferência de energia. As características dinâmicas do instrumento são: a velocidade de resposta, a contabilidade, o atraso e o erro dinâmico. Os instrumentos podem ter respostas dinâmicas de ordem zero (potenciômetro com deslocamento), primeira (termômetro com enchimento termal) e segunda (balanço da mola).

As características estáticas são aquelas consideradas quando as condições do processo são constantes. Elas são conseguidas através do processo de calibração do instrumento e incluem a exatidão, rangeabilidade e precisão. A precisão possui os parâmetros constituintes de linearidade, repetibilidade, reprodutibilidade e sensitividade. 8.3. Exatidão Conceito

O autor traduz o termo accuracy como exatidão, embora já tenha sido criado o neologismo de acurácia. Também se emprega a palavra justeza como sinônimo de exatidão.

Exatidão é o grau de conformidade de um valor indicado para um valor padrão reconhecidamente aceito ou valor ideal. A exatidão medida é expressa pelo desvio máximo observado no teste de um instrumento sob determinadas condições e através de um procedimento especifico. É usualmente medida como uma inexatidão e expressa como exatidão. O conceito de exatidão pode ser aplicado a uma única medição ou à média um conjunto de medições. Valor Verdadeiro

O valor verdadeiro é o valor real atribuído à quantidade. O valor verdadeiro da quantidade nunca pode ser achado e não é conhecido. O valor atribuído a uma quantidade somente será conhecido com alguma incerteza ou erro. Na prática, o valor verdadeiro é substituído pelo valor verdadeiro convencional, dado por um instrumento de medição padrão disponível.

Por exemplo, se um medidor é considerado ser capaz de fornecer medições com erro menor que ± l% do valor medido, ele pode ser calibrado com um instrumento com erros menores que ±0,1% do valor medido, na mesma faixa. Neste caso, o segundo instrumento fornece o valor verdadeiro convencional.

Por norma, o instrumento padrão deve ter um erro de 4 a 10 vezes menor que o instrumento a ser calibrado.

O objetivo de toda medição é o de obter o valor verdadeiro da variável medida e o erro é tomado como a diferença entre o valor medido e o valor verdadeiro. A exatidão é a habilidade de um instrumento de medição dar indicações equivalentes ao valor verdadeiro da quantidade medida. A exatidão se relaciona com a calibração do instrumento. Quando o instrumento perde a exatidão e deixa de indicar a média coincidente com o valor verdadeiro, ele precisa ser calibrado.

Fig. 3. Precisão e exatidão

8.4. Precisão Conceito

A precisão é um dos assuntos mais importantes da instrumentação, embora seja mal entendido. Sua importância é grande pelos seguintes motivos: 1. a medição precisa das variáveis de processo é um requisito para um controle eficiente; 2. o termo é pobremente definido e muito mal interpretado. Em inglês, há duas palavras accuracy e precision que

são traduzidas indistintamente como precisão para o português; 3. os conceitos de precisão (precision e accuracy), rangeabilidade (rangeability), aferição, calibração e manutenção

nem sempre são bem definidos; 4. há a tendência de alguns fabricantes, por má fé ou por desconhecimento, em expressar numericamente a precisão

de modo a parecer que seus produtos apresentam uma precisão maior do que real ou maior que a dos instrumentos concorrentes.

Precisão (precision) é o grau de concordância mútua e consistente entre várias medições individuais, principalmente relacionada com repetibilidade e reprodutibilidade. A precisão é uma medida do grau de liberdade dos erros aleatórios do instrumento. A precisão é a qualidade que caracteriza um instrumento de medição dar indicações equivalentes ao valor verdadeiro da quantidade medida.

A precisão está relacionada com a qualidade do instrumento. Quando o instrumento deteriora a sua precisão, alargando a dispersão de suas medidas do mesmo valor, ele necessita de manutenção. A manutenção criteriosa do instrumento, utilizando peças originais e conservando o projeto original não melhora a precisão nominal do instrumento, fornecida pelo fabricante quando novo mas evita que ela se degrade e ultrapasse os limites originais.

Como a precisão envolve os parâmetros de repetibilidade e reprodutibilidade, ela só pode ser determinada através de um conjunto de medições replicadas do instrumento. Não é possível se falar da precisão de um instrumento tendo-se somente uma medição dele. Especificação

A especificação quantitativa da precisão pode ser feita em termos de incerteza. Na instrumentação, há ambigüidade e confusão no uso dos termos precisão e erro. Todo instrumento de medição apresenta um erro prático. Para toda medição, tem se precisão e erro. Quanto maior a precisão do instrumento, menor é o erro apresentado por ele. Quando se diz que determinado instrumento possui a precisão de ± 1%, na maioria dos casos, pretende-se dizer que o erro ou a imprecisão é de ± 1%. Um erro ou uma imprecisão de I% corresponde a uma precisão de 99%.

Por exemplo, quando se faz a medição de uma quantidade de produto igual a 1000 litros, isto não é rigorosamente verdadeiro, desde que estes 1000 litros foram medidos por um método e com um instrumento com erros inerentes. Se o erro é de ± l% do valor indicado, pode ter sido fornecida uma quantidade entre 990 e 1010 litros. Tolerância

Tolerância é o máximo afastamento permissível que uma medição tem do seu valor verdadeiro ou nominal. A tolerância é a faixa total que uma quantidade especificada é permitida variar. Numericamente, tolerância é a diferença algébrica entre o valor máximo e mínimo dos limites de erros permitidos.

As tolerâncias são devidas às diferenças de materiais e procedimentos empregados na fabricado de um produto ou na execução de uma calibração. A tolerância pode ser melhorada usando-se vários pontos de calibração. Fornecer a tolerância em um ponto é inadequado, pois a tolerância aumenta quando se afasta do ponto de calibração.

A tolerância pode também ser quantitativamente definida como o erro sistemático limitado por ± 3 desvios padrão em relação aos erros aleatórios, que é a faixa onde estão 99,7 %, das medições.

8.5. Parâmetros da Precisão

Quando um fabricante define a precisão do instrumento, ele está realmente definindo o erro máximo

resultante quando o instrumento estiver sendo usado sob condições definidas. Para encontrar este erro máximo resultante, o instrumento é testado contra um padrão e a incerteza de cada ponto é calculada teoricamente.

O erro total absoluto é dado pela diferença entre o valor medido e o verdadeiro: erro absoluto = valor medido - valor verdadeiro O erro relativo é um parâmetro mais útil e é expressa em percentagem e definida pela relação:

e V -VV 100 %relativo =

medido verdadeiro

verdadeirox

O valor medido é o dado pelo instrumento e o valor verdadeiro é a leitura do instrumento padrão, com

precisão muito maior (recomendado de 4 a 10 vezes) que a do instrumento de medição. O erro total do instrumento é devido aos erros sistemático (erro de exatidão) e aleatório (erro de precisão)

combinados. Comumente, o fabricante se refere apenas ao erro aleatório e assume que o erro sistemático seja zero, pois o instrumento está calibrado. Mesmo assim, os catálogos mencionam a exatidão (accuracy) do instrumento, quando deveriam se referir à precisão (precision) do instrumento.

a) Repetibilidade

A repetibilidade é a habilidade de um medidor reproduzir as leituras da saída quando o mesmo valor medido é aplicado a ele consecutivamente, sob as mesmas condições de uso (mesma variável, mesmo valor, mesmo método, mesmo instrumento, mesmo local, mesma posição, mesmo observador, mesmo ambiente de contorno) e na mesma direção. A repetibilidade é calculada a partir de sucessivas medições da variável, mantidas as mesmas condições. Quanto mais próximos estiverem os valores das medições consecutivas da mesma entrada, maior é a repetibilidade do instrumento.

A repetibilidade é a proximidade entre várias medições consecutivas da saída para o mesmo valor da entrada, sob as mesmas condições de operação. É usualmente medida como não repetibilidade e expressa como repetibilidade em % da largura de faixa. A repetibilidade não inclui a histerese.

A repetibilidade é um parâmetro necessário para a precisão mas não é suficiente. O instrumento preciso possui grande repetibilidade, porém, o instrumento com alta repetibilidade pode ser inexato, por estar descalibrado.

Em controle de processo e atuação de chaves liga-desliga, a repetibilidade é mais importante que a exatidão. Em sistemas de custódia, envolvendo compra e venda de produtos, a repetibilidade e a exatidão são igualmente importantes.

b) Reprodutibilidade

A reprodutibilidade é uma expressão do agrupamento da medição do mesmo valor da mesma variável sob condições diferentes (método diferente, instrumento diferente, local diferente, observador diferente), durante um longo período de tempo.

A perfeita reprodutibilidade significa que o instrumento não apresenta desvio, com o decorrer do tempo, ou seja, a calibração do instrumento não se desvia gradualmente, depois de uma semana, um mês ou até um ano.

Pode-se também entender a reprodutibilidade como a repetibilidade durante um longo período de tempo. Para um instrumento ter reprodutibilidade é necessário que ele seja repetitivo em todos os pontos de medição. Quando o instrumento é repetitivo em um único ponto, ele não pode ser considerado como tendo reprodutibilidade.

A reprodutibilidade inclui repetibilidade, histerese, banda morta e drift. c) Linearidade

A linearidade do instrumento é sua conformidade com a linha reta de calibração. Ela é usualmente medida em não-linearidade e expressa como linearidade.

Quando a medição é não linear aparecem desvios da linha reta de calibração. As formas mais comuns são: desvio de zero, desvio da largura de faixa e desvio intermediário, geralmente provocado pela angularidade ou pela histerese.

Quando a medição é uma linha reta não passando pela origem, o instrumento necessita de ajuste de zero. Em um sistema mecânico, o desvio de zero é usualmente devido ao deslize de um elo no mecanismo. Ele pode ser corrigido pelo reajuste do zero do instrumento. Em um instrumento eletrônico, o desvio de zero é causado por variações no circuito devidas ao envelhecimento dos componentes, mudanças nas condições de contorno, como temperatura, umidade, campos eletromagnéticos.

Quando a medição é uma linha reta, passando pelo zero porém com inclinação diferente da ideal, o instrumento necessita de ajuste de largura de faixa ou de ganho. Um desvio de largura de faixa envolve uma variação gradual na calibração, quando a medição se move do zero para o fim da escala. Pode ser causada, em um sistema mecânico, pela variação na constante da mola de uma das partes do instrumento. Em um instrumento eletrônico, o desvio de largura de faixa pode ser provocado, como no desvio do zero, por uma variação da característica de algum componente.

Quando a medição se afasta da linha reta e os valores da medição aumentando são diferentes dos valores tomados com a medição decrescendo, o instrumento apresenta erro de histerese. Tais erros podem ser provocados por folgas e desgastes de peças ou por erros de angularidade do circuito mecânico do .instrumento. O desvio intermediário envolve um componente do instrumento, alterando sua calibração. Isto pode ocorrer quando uma parte mecânica é super forçada ou pela alteração da característica de um componente eletrônico. O desvio no instrumento eletrônico ou pneumático-mecânico pode ser compensado e eliminado pela inspeção periódica e calibração do instrumento.

A vantagem de se ter uma curva linear de calibração é que a leitura do instrumento se baseia somente um fator de conversão. Quando a curva é não linear: 1. usa-se uma escala não-linear, com a função matemática inversa (impossível em indicadores digitais), 2. incorpora-se um circuito linearizador antes do fator de conversão, 3. usa-se uma lógica para avaliar a relação não linear e gravam-se os pontos na memória digital (ROM, PROM) do

instrumento, fazendo-se a linearização por segmentos de reta ou por polinômios. d) Sensitividade

Sensitividade é a relação da variação do valor de saída para a variação do valor de entrada que a provoca, após se atingir o estado de regime permanente. É expressa como a relação das unidades das duas quantidades envolvidas. A relação é constante na faixa, se o instrumento for linear. Para um instrumento não-linear, deve-se estabelecer o valor da entrada. O inverso da sensitividade é o fator de deflexão do instrumento.

O termo sensitividade pode ser interpretado como a deflexão do ponteiro do instrumento dividida pela correspondente alteração do valor da variável. Por exemplo, se a parte usável da escala é 10 cm, a sensitividade do voltímetro é 10 cm / 200 volts ou 0,05 cm/volt. É obvio que este indicador tem dificuldades para indicar voltagens menores que 0,5 volt ou entre 150 e 150,5 volts. Quando se quer indicar 0,05 volts, um medidor com uma faixa de I volt seria a solução. A sensitividade, agora, é 10 cm/volt; um sinal de 0,05 volt produziria uma deflexão na indicação de 0,5 cm.

A sensitividade pode ser também a habilidade de um instrumento responder e detetar a menor variável na medição de entrada. Neste caso, ela é também chamada de resolução ou de discriminação.

Não há correlação entre a sensitividade e o erro. e) Zona Morta

O efeito da zona morta aparece quando a medição cai nas extremidades das escalas. Quando se mede 100 volts, começando de 0 volt, o indicador mostra um pouco menos de 100 volts. Quando se mede 100 volts, partindo de 200 volts, o ponteiro marca um pouco mais de 100 volts. A diferença das indicações obtidas quando se aproxima por baixo e por cima é a zona morta. O erro de zona morta é devido a atritos, campos magnéticos assimétricos e folgas mecânicas. Rigorosamente zona morta é diferente de histerese, .porém, a maioria das pessoas consideram zona morta e histerese o mesmo fenômeno.

Na prática, a aplicação repentina de uma grande voltagem pode causar um erro de leitura, pois o ponteiro produz uma ultrapassagem (overshoot), oscila e estabiliza em um valor. Se a última oscilação ocorreu acima do valor, a indicação pode ser maior que o valor verdadeiro; se ocorreu abaixo do valor, a indicação pode ser menor que o valor verdadeiro. O bom projeto do instrumento e o uso de materiais especiais para suportes, magnetos e molas, pode reduzir a zona morta. Um modo efetivo para diminuir o efeito da zona morta é tomar várias medições e fazer a média delas. f) Tempo de Resposta

A tempo de resposta é o intervalo que o instrumento requer para responder a um sinal tipo degrau aplicado à sua entrada. O tempo de resposta é desprezível quando o sinal varia lentamente. Porém, quando o sinal varia rapidamente e continuamente, o ponteiro fica oscilando e nunca fica em equilíbrio, impedindo a leitura exata da indicação. O tempo de resposta depende da massa do ponteiro, resistência da mola de retomo e da criação e desaparecimento do campo magnético. O olho humano também tem dificuldade de acompanhar variações muito rápidas do ponteiro.

Os artifícios para diminuir o tempo de resposta do indicador incluem a diminuição do ponteiro, uso de materiais mais leves, molas com menores constantes, uso de displays eletrônicos sem ponteiros (digitais). g) Confiabilidade

Os instrumentos de medição podem falhar, deixar de operar, operar intermitentemente ou degradar prematuramente seu desempenho quando exposto a condições desfavoráveis de temperatura, pressão, umidade, fungos, frio, maresia, vibração e choque mecânico. Instrumento confiável é estável, autentico e garantido. Esta expectativa de contabilidade pode parecer subjetiva, porém, a contabilidade pode ser definida, calculada, testada e verificada.

Confiabilidade é a probabilidade de um instrumento executar sua função prevista, durante um período de tempo especificado e sob condições de operação determinados. A função pretendida identifica o que constitui o não desempenho ou falha do instrumento. O período especificado pode variar de uma operação instantânea (fusível, disco de ruptura) ou operações que duram anos ininterruptos. O desempenho sob condições estabelecidas refere-se às condições de operação e do ambiente. As condições operacionais podem depender do tipo do instrumento mas devem ser completamente identificadas. As condições de operação e do ambiente não podem causar ou contribuir para o aparecimento de falhas.

Medições confiáveis devem ser válidas, precisas, exatas e consistentes, por definição e verificação. Medidas válidas são feitas por procedimento corretos, resultando no valor que se quer medir. Medidas precisas são repetitivas e reprodutivas, com pouca dispersão em tomo do valor esperado. Medidas exatas estão próximas do valor verdadeiro ideal. Medidas consistentes são aquelas cujos valores ficam cada vez mais próximos do valor verdadeiro, quando se aumenta o número de medições replicadas.

O metrologista, pessoa que procura fazer medições com a máxima exatidão e precisão, parece ter uma interpretação filosófica de contabilidade. Em sua determinação de constantes fundamentais, ele procura um valor verdadeiro mais fisicamente possível. O instrumentista no campo ou no laboratório, tem um enfoque operacional e procura o melhor valor pratico possível. Melhor implica simplesmente que a incerteza para uma dada medição foi

reduzida até um valor menor que um número predeterminado. A incerteza é normalmente expressa por uma faixa ou limites de contabilidade, dentro da qual é altamente provável que os resultados da medição estejam.

A contabilidade da medição inclui o intervalo de tempo durante o qual o instrumento permanece calibrado. Ela é comumente somada e expressa em MTBF (mean time between failures - tempo médio entre falhas).

O termo falha não significa necessariamente o desligamento completo do instrumento, mas que o instrumento deixou de manter sua especificação de erro. O instrumento que requer calibrações muito freqüentes é pouco confiável, porque apresenta problema estrutural, ou está mal aplicado ou é de má qualidade. Quando a indicação de um instrumento se afasta do valor verdadeiro, sua calibração está variando com o tempo e sua reprodutibilidade piora.

É difícil estimar a contabilidade de dados experimentais. Mesmo assim, se pode fazer tais estimativas porque dados de contabilidade desconhecida são inúteis. Resultados que não especialmente exatos podem ser valiosos se os limites de incerteza são conhecidos.

Infelizmente, não há método simples para determinar a contabilidade do I s dados com certeza absoluta. Às vezes, é tão trabalhoso garantir a qualidade dos resultados experimentais, quanto coletados. A contabilidade pode ser avaliada de diferentes modos. Padrões com certeza conhecida são usados para comparações e calibrações. A calibração de instrumentos aumenta a qualidade dos dados. Testes estatísticos são aplicados aos dados. Nenhuma destas opções é perfeita e, no fim, sempre deve-se fazer julgamentos para a exatidão provável dos resultados.

Uma das primeiras questões a levantar antes de fazer a medição é: qual é o máximo erro tolerado no resultado? A resposta a esta questão determina quanto tempo se gastará na análise dos dados. Por exemplo, um aumento de 10 vezes na contabilidade pode resultar em horas, dias ou semanas de trabalho adicional. Ninguém pode pretender gastar tempo gerando medições que sejam mais confíáveis que o necessário. h) Estabilidade

O desempenho de um instrumento de medição varia com o tempo. Geralmente, a exatidão do instrumento se degrada com o tempo. As especificações fornecidas pelo fabricante se referem a um instrumento novo, recém calibrado e testado nas condições de laboratório, que são muito mais favoráveis que as condições reais de processo. A estabilidade do medidor é sua habilidade de reter suas características de desempenho durante um longo período de tempo. A estabilidade pode ser expressa como taxa de desvio (drift rate), tipicamente em % por ano ou ± unidade por ano.

A estabilidade do instrumento é um parâmetro básico para a determinação dos intervalos de calibração do instrumento. i) Facilidade de Manutenção

Nenhum instrumento opera todo o tempo sem falha ou com o desempenho constante. Todo instrumento, por melhor qualidade que tenha, mesmo que não tenha peças moveis, em algum tempo necessita de alguma inspeção e manutenção. Normalmente, todas as plantas possuem programas estabelecidos de manutenção preventiva e preditiva. Mesmo assim, freqüentemente, o instrumento requer manutenção corretiva. O instrumento microprocessado (inteligente) possui a característica de auto-diagnose, quando ele informa ao operador o afastamento do desempenho do desejado.

A facilidade de manutenção de um instrumento pode ser quantitativamente calculada como o tempo médio gasto para seu reparo. A combinação do tempo médio entre falhas (MTBF) e o tempo médio para reparo (MTTR) dá a disponibilidade do instrumento. Instrumento muito disponível é aquele que raramente se danifica (grande tempo médio entre falhas) e quando isso ocorre, seu reparo é rápido (pequeno tempo médio para reparo).

As condições que facilitam a manutenção incluem: 1. acesso fácil; 2. conjuntos modulares substituíveis; 3. pontos de testes estrategicamente localizados; 4. auto-diagnose dos defeitos; 5. identificação clara das peças na documentação e no instrumento; 6. padronização e disponibilidade dos componentes reservas; 7. número limitado de ferramentas e acessórios de suporte; 8. compatibilidade e intercambiabilidade de instrumentos e peças; 9. facilidade de manuseio, transporte, armazenamento; 10. documentação técnica, marcações e etiquetas completas e claras. 8.6. Especificação da Precisão

A precisão industrial pode ser expressa numericamente de vários modos diferentes:

1. percentagem do fundo de escala da medição; 2. percentagem da largura de faixa da medição; 3. percentagem do valor real medido; 4. unidade de engenharia da variável.

Mesmo que os valores numéricos sejam iguais para um determinado valor da medição, a classe de precisão do instrumento pode ser diferente ao longo de toda a faixa. Por exemplo, o instrumento A, com precisão de ± l % do fundo de escala tem desempenho de precisão diferente do instrumento B, com precisão de ± l % do valor medido, ambos calibrados para medir 0 a 10 L/s. O erro da medição é igual somente para a vazão de 10 L/s, quando o valor medido é igual ao fundo da escala. a) Porcentagem do Fundo de Escala

Os medidores que possuem os erros devidos ao ajustes de zero e de largura de faixa possuem a precisão expressa em percentagem relativa ao fundo de escala. Os instrumentos com erro dado em percentagem do fundo de escala apresentam um erro absoluto constante (valor da percentagem vezes o fundo da escala) e o erro relativo aumenta quando a medição diminui.

Esta classe de instrumentos aparece principalmente na medição de vazão e um exemplo é o erro da placa de orifício em percentagem do fundo de escala. Tab. 1. Erros absoluto e relativo de instrumento com % do F.E.

Vazão

L/s Erro absoluto

L/s Erro relativo

% 100 1 1 50 1 2 30 1 3 10 1 10 1 1 100

Por exemplo, na medição da vazão de 0 a 100 L/s, com a precisão de 1 % do fundo de escala, o erro absoluto é igual a 1 % x 100 =1 L/s mas o erro relativo aumenta hiperbolicamente (sentido rigoroso e não figurado). Nesta aplicação, para se ter um erro menor que 3%, deve-se medir apenas vazões acima de 30 L/s. b) Percentagem da largura de faixa

Quando a faixa de medição se refere a zero, as precisões referidas à largura de faixa e ao fundo de escala são idênticas. Quando a faixa de medição é com zero elevado, a largura de faixa é maior que o valor do fundo de escala e quando a faixa de medição é com zero suprimido, a largura de faixa é menor que o valor do fundo de escala.

Numericamente, na medição de 0 a 100 oC, as precisões de ± 1 % do fundo de escala e ± 1 % da largura de faixa são ambas iguais a ± 1 oC.

Para uma faixa de 20 a 100 oC, o erro de ± 1 % do fundo de escala é de ± 1 oC, porém, o erro de ± 1 % da largura de faixa é de ± 0,8 oC.

Para uma faixa de -20 a 100 oC, o erro de ± 1 % do fundo de escala ainda é ± 1 oC, porém, o erro de ± 1 % da largura de faixa agora é de ± 1,2 oC.

Em faixas com zero elevado ou zero suprimido não se deve expressar a precisão em percentagem do fundo de escala, mas sim de largura de faixa. Por exemplo, na medição de -100 a 0 oC, o erro em fundo de escala seria 0 (o fundo da escala é 0 0C e não - 100 oC, que é o ponto de 0 %). c) Percentagem do Valor Medido

Os medidores que possuem somente os erros devidos ao ajustes de largura de faixa e não possuem erros devidos aos de zero, pois a condição de zero é exatamente definida, possuem a precisão expressa em percentagem do valor medido. Os instrumentos com erro dado em percentagem do valor medido apresentam um erro relativo constante (valor definido pela qualidade do instrumento) e o erro absoluto aumenta quando a medição aumenta.

Por exemplo, seja a medição da vazão de 0 a 100 L/s, com a precisão de 1 % do valor medido. O erro relativo da medição vale sempre ± 1 %. Porém, o erro absoluto depende do valor medido. O erro absoluto aumenta

linearmente com o valor da medição feita. Teoricamente, este instrumento teria uma rangeabilidade infinita, porém, na prática, ela é estabelecida como de 10:1. Tab. 2. Erros absoluto e relativo de instrumento com % do V.M.

Vazão L/s

Erro absoluto L/s

Erro relativo %

100 1 1 50 0,5 1 30 0,3 1 10 0,1 1 1 0,01 1

d) Unidade de Engenharia

É possível ter a precisão expressa na forma do erro absoluto dado em unidades de engenharia. Como o erro absoluto é constante, o erro relativo se comporta como o erro do instrumento com percentagem do fundo de escala. Por exemplo, no termômetro com erro absoluto de ± l oC, independente da medição, o erro relativo aumenta quando a medição diminuir, exatamente como no instrumento com percentagem do fundo de escala. 8.7. Exatidão e Precisão

É tentador dizer que se uma medição é conhecida com precisão, então ela é também conhecida com exatidão. Isto é perigoso e errado. Precisão e exatidão são conceitos diferentes.

A precisão é uma condição necessária para a exatidão, porém, não é suficiente. Pode-se ter um instrumento muito preciso, mas descalibrado, de modo que sua medição não é exata. Mas um instrumento com pequena precisão, mesmo que ele forneça uma medição exata, logo depois de calibrado, com o tempo ele se desvia e não mais fornece medições exatas. Para o instrumento ser sempre exato, é necessário ser preciso e estar calibrado.

Por exemplo, um relógio de boa qualidade é preciso. Para ele estar exato, ele precisa ter sido acertado (calibrado) corretamente. Desde que o relógio preciso esteja exato, ele marcará as horas, agora e no futuro com um pequeno erro. Seja agora um relógio de má qualidade e impreciso. Logo depois de calibrado, ele marcará a hora com exatidão, porém, com o passar do tempo, a sua imprecisão fará com ele marque o tempo com grandes erros. Um instrumento impreciso é também inexato. Mesmo que ele esteja exato, com o tempo ele se afasta do valor verdadeiro e dará grande erro.

Outro exemplo é o hodômetro de um automóvel, que pode ter até seis algarismos significativos para indicar a distância percorrida através da contagem de rotações do eixo. A exatidão de sua indicação depende de como as rotações são contadas e de como as rotações refletem a distância percorrida. O contador pode não ter erros e ser exato porém a distância percorrida depende, dentre outros fatores, do diâmetro e do desgaste dos pneus. 8.8. Precisão Necessária a) Instrumentos de Processo

Quando se faz o projeto de uma planta, o projetista deve estabelecer as precisões dos instrumentos de medição e controle do processo, compatíveis com as especificações do produto final. Nem sempre isso é feito com critério técnico, pois essa definição requer conhecimentos de projeto, processo, instrumentação, controle e estatística.

Por insegurança, há uma tendência natural de se estabelecer as classes de precisão maiores possíveis, sem nenhum critério consistente com os resultados finais e até sem saber se o instrumento com tal precisão é comercialmente disponível. Por exemplo, pretender que uma indicação de temperatura tenha ,incerteza de ± 0,1 oC, quando o processo requer incerteza de ± l oC implica, no presente, custo mais elevado do indicador e, no futuro, problemas freqüentes da operação com a instrumentação para recalibrações freqüentes e desnecessárias do instrumento.

Mesmo depois de especificado o instrumento, não se tem o rigor de verificar se o instrumento comprado está de conformidade com a precisão especificada. Às vezes, compra-se o instrumento com precisão pior que a necessária e haverá problemas futuros com a especificação do produto. Também é freqüente comprar instrumento com precisão melhor que a necessária. Neste caso, além do obvio custo mais elevado, haverá problemas técnicos de especificação do produto, pois a tentativa de se obter um controle melhor que o necessário é uma causa de perda de

controle. Também não há uma preocupação de se ter instrumentos com precisões iguais em uma malha de medição ou no sistema total de controle. A precisão de uma malha de instrumentos é sempre pior que a precisão do instrumento da malha de pior precisão. Como conseqüência, haverá desperdício de dinheiro na compra de instrumentos com precisão além da necessária. b) Instrumentos de Teste e, Calibração

A partir da classe de precisão dos instrumentos de medição e controle da planta, o pessoal de metrologia e de instrumentação deve montar um laboratório de calibração e aferição com padrões e instrumentos de referência para calibrar os instrumentos de processo. Os instrumentos de aferição e calibração devem ter classe de precisão de 4 a 10 vezes melhor que a classe dos instrumentos a serem aferidos e calibrados. Quando se usa um instrumento padrão com incerteza de 4 vezes menor, o seu preço é menor que um de 10 vezes, porém, a sua incerteza passa para o instrumento calibrado. Quando se usa um instrumento padrão com incerteza de 10 vezes menor, o seu preço é maior que um de 4 vezes, porém, a sua incerteza não passa para o instrumento calibrado.

Atualmente, no Brasil, é freqüente a modernização da instrumentação de medição e controle da planta, por exemplo, passando de instrumentação pneumática ,para eletrônica analógica, de eletrônica analógica para digital e até de pneumática para eletrônica digital. Nestas trocas de instrumentação, a classe de precisão pode aumentar de fatores de 10 e até de 100. Nestas situações, é obrigatória a modernização e melhoria dos instrumentos de teste e de calibração.

Tudo se resume a uma questão de consistência: 1. O ideal é ter instrumentos de processo com classe de precisão ± n % e instrumentos de teste e calibração com

classe de ± 0,n % (10 vezes melhor), pois a incerteza do padrão não passa para o instrumento calibrado; 2. Quando a precisão dos instrumentos de processo tem classe de precisão de ± 0,n % e os instrumentos de

calibração e teste tem classe de ± n % (10 vezes pior), tem-se a situação ridícula onde o padrão é pior que o instrumento sendo calibrado. A incerteza de ± n % passa para os instrumentos de medição durante a calibração. Não adiantou nada investir muito dinheiro no instrumento de medição e não investir no instrumento de calibração;

3. Quando a precisão dos instrumentos de processo tem classe de precisão de ± n % e os instrumentos de calibração e teste tem classe de ± n % (iguais), a incerteza final das medições feitas com os instrumentos calibrados é de ± 2n % (± n % devidos ao instrumento em si mais ± n % devidos ao padrão de calibração).

Estas comparações feitas entre as classes de precisão dos instrumentos de medição com os instrumentos padrão de trabalho se aplicam exatamente para as outras interfaces da escada de rastreabilidade da calibração, como entre padrões de trabalho e padrões de laboratório, entre padrões de laboratório e padrões externos secundários, sucessivamente até chegar aos padrões nacionais e internacionais. c) Projeto, Produção e Inspeção

A especificação de produto ou instrumento envolve as áreas de projeto, produção e inspeção. O projetista pensa no produto ideal, o homem da produção quer a máxima produção possível e o inspetor julga se o produto final está dentro das especificações nominais. Cada uma dessas pessoas tem uma visão diferente da tolerância da especificação do produto.

O projetista trata de condições ideais, assumindo instrumentos e equipamentos novos, operadores bem treinados, supervisão competente, instrumentos calibrados, matérias-primas dentro das especificações nominais. A partir desta visão, suas tolerâncias são pequenas e às vezes, não atingíveis na prática com o grau de economia do processo industrial. Pode ser até que as condições ideais do processo possam ser conseguidas durante alguma parte do processo mas nunca por longo período de tempo.

O homem de produção sabe, de sua experiência prática, que o operador falha, a matéria-prima não é constante, o equipamento não está ajustado corretamente, o instrumento perde a calibração e tudo isso contribui para o produto final se afastar das especificações nominais. E para isso ocorrer menos freqüentemente, ele exige tolerâncias maiores. Ele "faz o melhor que pode", mas nem sempre ele avalia como ele pode melhorar o que ele já faz. Sendo humano e sob pressão para produzir o máximo possível, ele se limita a fazer o que ele acha que é o melhor.

Entre esta briga de foice no escuro ainda há o inspetor do produto. Psicologicamente, o inspetor tenderá a uma posição política de compromisso. Quando o inspetor escuta o operador que trabalha no chão de fabrica, ele será informado que a conformidade com as tolerâncias irá parar a produção e que 0,1 % a mais não irá fazer nenhuma diferença prática. Quando o inspetor escuta o projetista que trabalho no ar condicionado do escritório, ele será informado que a produção deverá produzir de .conformidade com a especificação nominal.

Não se pode relaxar a inspeção, pois assim ela perderia sua validade. Porém, as especificações das tolerâncias devem ser estabelecidas com critério técnico, resultando em produtos usáveis e economicamente viáveis.

Quando se tem tolerâncias pequenas que são desrespeitadas sem nenhuma conseqüência grave, cria uma cultura nociva de falta de respeito a especificações por parte do pessoal de produção e inspeção. Às vezes, é importante que as especificações criticas sejam cumpridas. Se o pessoal da inspeção e produção tende a não respeitar as especificações do projeto, porque elas são difíceis de serem satisfeitas e por que ele não entende as razões do rigor, este pessoal igualmente não respeitará as especificações criticas e não críticas.

É muito comum se ouvir "é trabalho do projetista estabelecer o que é necessário; é trabalho do inspetor testar e aceitar os procedimentos para descobrir se as especificações foram cumpridas; deixe cada lado fazer seu próprio trabalho". Isto é errado! O projetista deve ter conhecimento do resultado das inspeções e aceitações e as capacidades da produção e usar estas informações para alterar ou manter as especificações originais. No ambiente competitivo e de qualidade atual deve haver trabalho de equipe. Resumindo: 1. todas as tolerâncias das especificações devem ser cumpridas; 2. tolerância muito rigorosa aumenta o custo final do produto; 3. tolerância pouco rigorosa também aumenta o custo final do produto, por causa de muitos refugos e retrabalho; 4. tolerância muito rigorosa é difícil de ser conseguida; requer pessoal de operação treinado, instrumentos

calibrados, equipamentos ajustados, materiais-primas constantes e processos de produção mais complexos; 5. as tolerâncias podem ser diferentes; instrumentos críticos requerem tolerâncias mais rigorosas, instrumentos não

críticos podem ter tolerâncias menos rigorosas; 6. as tolerâncias devem ser coerentes entre si; instrumentos de mesma malha de medição devem ter tolerâncias de

mesma ordem de grandeza; 7. a tolerância final do malha não será melhor que a maior tolerância de algum instrumento, durante todo o tempo; 8. as tolerâncias devem ser estabelecidas de comum acordo e envolvendo o pessoal de projeto, produção e

inspeção; 9. deve haver controle estatístico do processo para avaliar as tolerâncias, mantendo-as, aumentando-as ou

diminuindo-as em função dos resultados obtidos. 8.9. Rangeabilidade

Tão importante quanto à precisão e exatidão do instrumento, é sua rangeabilidade. Em inglês, há duas palavras, rangeability e turndown para expressar aproximadamente a extensão de faixa que um instrumento pode medir dentro de uma determinada especificação. Usamos o neologismo de rangeabilidade para expressar esta propriedade.

Em instrumentação, é difícil medir os seguintes valores de qualquer quantidade: 1. valores muito pequenos; 2. valores muito grandes; 3. faixas muito estreitas.

Faixas muito estreitas são difíceis pois o ganho do instrumento é muito grande e portanto, há muita instabilidade. Os valores extremos da faixa, muito pequenos e muito grandes, são difíceis por causa da grande sensibilidade necessária.

Na medição de qualquer quantidade é comum se escolher a faixa de medição conveniente, de modo que o instrumento tenha a mesma dificuldade de deteção em toda a faixa. Mesmo, assim, principalmente na medição de vazão, o comportamento do instrumento depende do valor medido. Na prática, há limite inferior da vazão medida, abaixo do qual é possível se fazer a medição, porém, a precisão se degrada e aumenta muito.

Para expressar a faixa de medição adequada do instrumento define-se o parâmetro rangeabilidade. Rangeabilidade é a relação da máxima medição sobre a mínima medição, dentro uma determinada precisão. Na prática, a rangeabilidade estabelece a menor medição a ser feita, depois que a máxima é determinada. A rangeabilidade está ligada à relação matemática entre a saída do medidor e a variável medida. Instrumentos lineares possuem maior rangeabilidade que os medidores quadráticos (saída do medidor proporcional ao quadrado da medição).

Por exemplo, o instrumento com precisão expressa em percentagem do fundo de escala tem o erro relativo aumentando quando se diminui o valor medido. Para .estabelecer a faixa aceitável de medição, diz-se que sua rangeabilidade é de 3:1, ou seja, só são aceitáveis medições acima de 30% até 100 % da medição, arbitrando-se a precisão aceitável em ± 0,3%. Pode-se medir valores abaixo de 30 %, porém, o erro é maior que ± 0,3%. Por exemplo, o erro é de 10 % quando se mede 10 % do valor máximo; o erro é de 100 % quando se mede 1 % do valor máximo.

Não se pode medir em toda a faixa por que o instrumento é não linear e tem um comportamento diferenciado no início e no fim da faixa de medição. Geralmente, a dificuldade está na medição de pequenos valores. Um instrumento com pequena rangeabilidade é incapaz de fazer medições de pequenos valores da variável.

A sua faixa útil de trabalho é acima de determinado valor; por exemplo, acima de 10 % (rangeabilidade10: 1), ou de 33% (3: 1).

Em medição, a , rangeabilidade se aplica principalmente a medidores de vazão. Sempre que se dimensiona um medidores vazão e se determina a vazão máxima, automaticamente há um limite de vazão mínima medida, abaixo do qual é possível fazer medição, porém, com precisão degradada.

Em controle de processo, o conceito de rangeabilidade é também muito usado em válvulas de controle. De modo análogo, define-se rangeabilidade da válvula de controle a relação matemática entre a máxima vazão controlada sobre a mínima vazão controlada, com o mesmo desempenho. A rangeabilidade da válvula está associada à sua característica inerente. Na válvula linear, cujo ganho é uniforme em toda a faixa de abertura da válvula, sua rangeabilidade é cerca de 10:1. Ou seja, a mesma dificuldade e precisão que se tem para medir e controlar 100 % da vazão, tem se em 10 %. A válvula de abertura rápida tem uma ganho muito grande em vazão pequena, logo é instável o controle para vazão baixa. Sua rangeabilidade vale 3:1. A válvula com igual percentagem, cujo ganho em vazão baixa é pequeno, tem rangeabilidade de 100: 1.

A rangeabilidade depende da relação matemática entre a entrada e saída do instrumento de medição. Medidores lineares possuem rangeabilidade típica de 10:1. Ou seja, pode-se medir de 10 a 100 % da faixa

com o mesmo desempenho. Medidores cuja saída é função do quadrado da entrada, como a vazão e a pressão diferencial gerada pela placa de orifício, a rangeabilidade é de 3:1. Na medição de vazão com placa de orifício não se melhora rangeabilidade colocando-se um extrator de raiz quadrada na malha de medição. Embora a escala do instrumento passe para linear, eliminando a dificuldade de se ler pequenos valores, o extrator de raiz quadrado terá a mesma dificuldade para detetar pequenos valores. O modo clássico de melhorar a rangeabilidade da medição de vazão com placa de orifício é usar dois transmissores de pressão diferencial. Na faixa de 0 a 100 % da vazão, usa-se um transmissor para a faixa baixa, de 0 a 30%, de modo que ele possa medir os valores da vazão de 10 a 30%. O segundo transmissor calibrado para a faixa mais alta irá medir os valores da vazão de 30 a 100 %. Deste modo, o sistema pode medir de 10 a 100 % do valor da vazão.

Outro modo de aumentar a rangeabilidade da medição de vazão com placa de orifício é usar transmissor inteligente, cuja rangeabilidade é maior do que a do convencional. 9. Erros da Medição 9.1. Introdução

É impossível fazer uma medição sem erro ou incerteza. Na realidade, o que se procura é manter os erros dentro de limites toleráveis e estimar seus valores com exatidão aceitável. Cada medição é influenciada por muitas incertezas, que se combinam para produzir resultados espalhados. As incertezas da medição nunca podem ser completamente eliminadas, pois o valor verdadeiro para qualquer quantidade é desconhecido. Porém, o valor provável do erro da medição pode ser avaliado. É possível definir os limites dentro dos quais o valor verdadeiro de uma quantidade medida se situa em um dado nível de probabilidade.

O erro é a diferença algébrica entre a indicação e o valor verdadeiro convencional. O valor verdadeiro é o valor da variável medida sem erro, ideal. Erro é a quantidade que deve ser subtraída algebricamente da indicação para dar o valor ideal.

Se A é um valor exato e a o valor aproximando medido, então o erro é o desvio do valor aproximando do exato. Matematicamente : e = A - a.

Sob o ponto de vista matemático, o erro pode ser positivo ou negativo. Um erro positivo denota que a medição é maior que o valor ideal. O valor ideal é obtido subtraindo-se este valor do indicado. Um erro negativo denota que a medição do instrumento é menor que o valor ideal. O valor ideal é obtido somando-se este valor ao indicado.

Por exemplo, o comprimento de 9,0+0,2-0,1 mm significa que o valor verdadeiro do comprimento fica entre 8,9 (9,0 - 0, 1) e 9,2 (9,0 + 0,2) mm.

Na prática, considera-se somente um único erro absoluto máximo, de modo que o valor medido seja dado por (A ± e) = a. 9.2. Tipos de Erros

Os erros da medição e do instrumento podem ser classificados sob vários critérios, como expressão matemática, resposta no tempo, responsabilidade, causa e previsibilidade. É possível haver grande superposição de erros. Por exemplo, um erro pode ser simultaneamente estático, sistemático, previsível, intrínseco ao instrumento e devido ao ajuste de zero. a) Expressão Matemática

Quanto à expressão matemática, os erros podem ser classificados como : 1. absolutos; 2. relativos. b) Tempo Quanto ao tempo, os erros podem ser classificados como : 1. dinâmicos; 2. estáticos. c) Origem Quanto à origem, os erros estáticos podem ser classificados como : 1. grosseiros; 2. sistemáticos; 3. aleatórios. d) Sistemáticos Os erros sistemáticos podem ser divididos em : 1. intrínsecos ao instrumento; 2. influência; 3. modificação. e) Intrínsecos ao Instrumento Os erros intrínsecos ao instrumento podem ser : 1. determinados; 2. indeterminados. f) Determinados Por sua vez, os erros do instrumento determinados podem ser: 1. zero;. 2. largura de faixa ou ganho; 3. angularidade; 4. quantização. g) Indeterminados Os erros indeterminados poder ser devidos a : 1. uso e desgaste; 2. atrito; 3. inércia. h) Influência Os erros de influência podem ter diferentes naturezas, como : 1. mecânica; 2. elétrica; 3. física; 4. química. 9.3. Erro Absoluto e Relativo

Erro absoluto é simplesmente o desvio da medição, tomado na mesma unidade de engenharia da medição. No exemplo de 9,0 ± 0,1 mm, o erro absoluto é de O,1 mm. O erro absoluto não é uma característica conveniente da medição. Por exemplo, o erro absoluto de 1 mm pode ser muito pequeno ou muito grande, relação ao comprimento medido.

Por exemplo, 1 mm de erro em 100 mm vale 1 % 1 mm de erro em 10 mm vale 10 % 1 mm de erro em 1 mm vale 100 %

Assim, a qualidade de uma medição é melhor caracterizada pelo erro relativo, tomado como :

e ea

r = ×100%

onde :

er é o erro relativo; e é o erro absoluto; a é o valor da grandeza medida.

O erro relativo é adimensional e geralmente expresso em percentagem. A precisão entre ± l% e ± 10 % é geralmente suficiente para a maioria das aplicações residenciais e até

industriais; em aplicações científicas tem-se ± 0,01 a ± 0,1 %. O erro absoluto pode assumir valores negativos e positivos, diferente do valor absoluto do erro, que

assume apenas valores positivos. 9.4. Erro Dinâmico

Erro dinâmico é aquele que depende do tempo. Quando uma medição altera seu valor significativamente durante a medição, ela pode ter erros dinâmicos.

O erro dinâmico mais comum é devido ao tempo de resposta ou tempo característico do instrumento, quando há atrasos na variável medida. O erro dinâmico pode desaparecer naturalmente com o transcorrer do tempo ou quando as condições de operação se igualarem às condições especificadas para uso.

Por exemplo, quando se faz a medição de temperatura sem esperar que o sensor atinja a temperatura medida, há erro dinâmico que desaparece quando a temperatura do sensor for igual a temperatura do processo que se quer medir. Se a temperatura leva 3 minutos para atingir o valor final medido, qualquer medição antes deste tempo apresentará erro dinâmico. Se a temperatura estiver subindo, todas as medições antes de 3 minutos serão menores que a temperatura medida.

Quando se faz a medição de um instrumento eletrônico, sem esperar que ele se aqueça e se estabilize, tem-se também um erro de medição que desaparecerá quando houver transcorrido o tempo de aquecimento (warm up) do instrumento.

O instrumento pode apresentar erro de calibração a longo prazo, devido ao envelhecimento dos componentes. Tais erros dinâmicos são chamados também de desvios (drift). Porem, neste caso, os tempos envolvidos são muito longos, como meses ou anos.

O erro dinâmico pode ser eliminado, conhecendo-se os tempos de resposta do instrumento, constante de tempo da variável medida e condições previstas para entrada em regime permanente do instrumento medidor. Esse tipo de erro, que pode ser grosseiro e facilmente evitável, pode ser considerado como um erro do operador.

Uma questão associada com o erro dinâmico é o atraso de bulbos e poços de temperatura e selos de pressão. Teoricamente, um bulbo e um poço de temperatura apenas introduzem atraso na medição da temperatura. Se a temperatura fosse constante, depois do tempo de ancoro, a temperatura com o bulbo e o poço seria igual à temperatura sem bulbo e poço. Como há uma variabilidade natural da temperatura constante, na prática a colocação de bulbo e poço introduzem erro de medição. A questão é análoga com a medição de pressão e o seio. Na prática, o selo de pressão introduz um erro de medição. Como regra geral tem-se: tudo que é colocado na malha de medição introduz uma parcela do erro final. 9.5. Erro Estático

Erro estático é aquele que independe do tempo. Quando uma medição não altera seu valor substancialmente durante a medição, ela está sujeita apenas aos erros estáticos.

Os erros estáticos são de três tipos diferentes: 1. erros grosseiros; 2. erros sistemáticos; 3. erros aleatórios.

9.6. Erro Grosseiro

O erro grosseiro é também chamado de acidental, do operador, de confusão ou de lapso, freak ou outlier. A medição com um erro grosseiro é aquela que difere muito de todas as outras do conjunto de medições.

Muitas medições requerem julgamentos pessoais. Exemplos incluem a estimativa da posição do ponteiro entre duas divisões da escala, a cor de uma solução no final de uma analise química ou o nível de um líquido em uma coluna liquida. Julgamentos deste tipo estão sujeitos a erros uni direcionais e sistemáticos. Por exemplo, um operador pode ler o ponteiro consistentemente alto; outro pode ser lento em acionar um cronômetro e um terceiro pode ser menos sensível às mudanças de cores. Defeitos físicos são geralmente fontes de erros pessoais determinados.

Uma fonte universal de erro pessoal é o preconceito. A maioria das pessoas, independente de sua honestidade e competência, tem uma tendência natural de estimar as leituras da escala na direção que aumenta a precisão em um conjunto de resultados. Quando se tem uma noção preconcebida do valor verdadeiro da medição, subconsciente mente o operador faz os resultado cair próximo deste valor.

A polarização é outra fonte de erro pessoal que varia consideravelmente de pessoa para pessoa. A polarização mais comum encontrada na estimativa da posição de um ponteiro em uma escala envolve uma preferência para os dígitos 0 e 5. Também prevalente é o preconceito de favorecer pequenos dígitos sobre grandes e números pares sobre os ímpares.

A vantagem dos instrumentos digitais sobre os analógicos é que sua leitura independe de julgamentos, eliminando-se a polarização.

A maioria dos erros pessoais pode ser minimizada pelo cuidado e auto-disciplina. É um bom hábito verificar sistematicamente as leituras do instrumento, os fatores e os cálculos.

A maioria dos erros grosseiros é pessoal e é causada pela falta de atenção, preguiça ou incompetência. Os erros grosseiros podem ser aleatórios mas ocorrem raramente e por isso eles não são considerados como erros indeterminados. Fontes de erros grosseiros incluem: erros aritméticos, transposição de números em dados de registro, leitura de uma escala ao contrário, troca de sinal, uso de uma escala errada ou falta de sorte. Alguns erros grosseiros afetam somente uma medição. Outros, como o uso de uma escala errada, afetam todo o conjunto das medições replicadas.

Como a falta de cuidado causa a maioria dos erros pessoais, eles podem ser eliminados através da autodisciplina. Muitos operadores tem a prática de reler um instrumentos depois da primeira leitura ter sido anotada e então comparar as duas leituras para descobrir erros.

Erros grosseiros podem também ser provocados pela interrupção momentânea da alimentação dos instrumentos.

O erro grosseiro causado pelo operador é devido a enganos humanos, tais como : 1. leitura sem cuidado; 2. anotação equivocada; 3. aplicação errada de fator de correção; 4. engano de fator de escala e de multiplicação; 5. extrapolação ou interpelação injustificada; 6. arredondamento mal feito; 7. erros de computação.

Alguns erros de operador podem ser sistemáticos e previsíveis, quando provocados por vicio ou procedimento errado do mesmo operador. Maus hábitos podem provocar erros sistemáticos. A solução é colocar mais de uma pessoa para fazer as medições. Por exemplo, o erro de paralaxe da leitura é devido à postura errada do observador frente a escala do instrumento.

É um erro grosseiro confundir números e errar a posição do marcador decimal. É catastrófico ler, por exemplo, 270 graus em vez de 27,0 graus no mapa de vôo de um avião (já houve um acidente de aviação, no norte do Brasil, onde, segundo o laudo da companhia aérea, o comandante cometeu esse erro grosseiro).

Alguns técnicos acham que fazer 10 medições da mesma grandeza, nas mesmas condições, com o mesmo instrumento e lidas pela mesma pessoa é inútil, pois todos os valores vão ser iguais. Elas desconhecem a variabilidade da constante. Ou seja, na natureza até as constantes variam levemente em tomo do valor constante. Em tabelas de calibração, é freqüente encontrar números inventados e repetidos, sem que o instrumentista tenha feito realmente as medições. A rotina pode levar o operador a não fazer efetivamente as leituras e a inventá-las, pois o processo está normal e os valores esperados já são conhecidos.

Os erros grosseiros normalmente se referem a uma única medição, que deve ser desprezada, quando identificada. Ele é imprevisível e não adianta ser tratado estatisticamente.

O erro grosseiro ou de operação pode ser evitado através de: 1. treinamento; 2. maior atenção na operação;

3. menor distração; 4. menor cansaço; 5. maior motivação; 6. melhoria nos procedimentos. 9.7. Erro Sistemático

Erro sistemático é também chamado de consistente, fixo, determinável, previsível, avaliável e de polarização (bias). As características do erro sistemático são as seguintes: 1. se mantém constante, em valor absoluto e sinal quando se fazem várias medições do mesmo valor de uma da

variável, sob as mesmas condições; 2. varia de acordo com uma lei definida quando as condições variam; 3. é devido aos efeitos quantificáveis que afetam a todas as medições; 4. é devido a uma causa constante; 5. é mensurável; 6. pode ser eliminado pela calibração.

Os erros sistemáticos podem ser constantes ou dependentes do valor da variável medida. O erro determinado constante independe do valor da quantidade medida. Os erros constantes se tomam mais sérios quando o valor da quantidade medida diminui, pois o erro relativo fica maior. O erro proporcional aumenta ou diminui na proporção do valor da quantidade medida. Uma causa comum de erros proporcionais é a presença de contaminantes na amostra.

Os erros sistemáticos causam a média de um conjunto de medições se afastar do valor verdadeiro aceitável. O erros sistemáticos afetam a exatidão dos resultados. Os erros sistemáticos podem ser devidos: 1. aos instrumentos; 2. às condições de modificação; 3. às condições de interferência do ambiente. a) Erro Inerente ao Instrumento

Os erros sistemáticos inerentes ao instrumento podem ser determinados ou indeterminados. Os erros

sistemáticos do instrumento determinados são devidos principalmente à calibração. Como estão relacionados à calibração, eles podem se referir aos pontos de zero, largura de faixa e não-linearidades provocadas pela angularidade dos mecanismos.

Os erros do instrumento indeterminados são inerentes aos mecanismos de medição, por causa de sua estrutura mecânica, tais como os atritos dos mancais e rolamentos dos eixos moveis, a tensão irregular de molas, a redução ou aumento da tensão devido ao manuseio incorreto ou da aplicação de pressão excessiva, desgaste pelo uso, resistência de contato, atritos, folgas.

Os erros sistemáticos do instrumento determinados e devidos à calibração podem se referir a erro de: 1. determinação, 2. hipótese 3. histórico 4. zero 5. largura de faixa 6. angularidade 7. quantização.

O erro de determinação resulta da calibração incorreta ou do cálculo inadequado. O erro de hipótese aparece quando se espera que a medição siga uma determinada relação característica

diferente da real. O erro histórico são resultantes do uso, do desgaste, do envelhecimento dos materiais, de estragos, de má

operação, de atritos, de folgas nos mecanismos e nas peças constituintes do instrumento. O erro de zero é aquele apresentado pelo instrumento quando a entrada está no valor de início de escala.

É expresso em % de largura de faixa. O desvio da largura de faixa ou do ganho do instrumento aparece quando a inclinação da curva real é

diferente da ideal. É expresso em % da largura de faixa. A não linearidade é o desvio da lei da resposta real de uma reta ideal e esperada. Linearidade só existe

uma, mas há um número incontável de não-linearidades. Em instrumentos mecânicos a balanço de movimentos, tem-se o erro de angularidade, que é um afastamento da linearidade devido aos ângulos retos não estarem retos.

O erro de quantização se refere a leitura digital e resulta do fato de tomar discreto o valor de saída da medida.

Os erros sistemáticos intrínsecos do instrumento podem ser eliminados ou diminuídos principalmente através da : 1. calibração; 2. seleção criteriosa do instrumento; 3. aplicação de fatores de correção. b) Erro de Influência

Os erros sistemáticos de influência ou interferência são causados pelos efeitos externos ao instrumento, tais como as variações ambientais de temperatura, pressão barométrica e umidade. Os erros de influência são reversíveis e podem ler de natureza mecânica, elétrica, física e química.

Os erros mecânicos são devidos à posição, inclinação, vibração, choque e ação da gravidade. Os erros elétricos são devidos às variações da voltagem e freqüência da alimentação. As medições

elétricas sofrem influência dos ruídos e do acoplamento eletromagnético de campos. Também o instrumento pneumático pode apresentar erros quando a pressão do ar de alimentação fica fora

dos limites especificados. Sujeiras, umidade e óleo no ar de alimentação também podem provocar erros nos instrumentos pneumáticos.

Os efeitos físicos são notados pela dilatação térmica e da alteração das propriedades do material. Os efeitos químicos influem na alteração da composição química, potencial eletroquímico, no pH. O sistema de medição também pode introduzir erro na medição, por causa do modelo, da configuração e

da absorção da potência. Por exemplo, na medição da temperatura de um gás de exaustão de uma máquina : 1. a temperatura do gás pode ser não uniforme, produzindo erro por causa da posição do sensor; 2. a introdução do sensor, mesmo pequeno, pode alterar o perfil da velocidade da vazão; 3. o sensor pode absorver (RTD) ou emitir (termopar) potência, alterando a temperatura do gás.

Os efeitos da influência podem ser de curta duração, observáveis durante uma medição ou são demorados, sendo observados durante todo o conjunto das medições.

Os erros de influência podem ser eliminados ou diminuídos pela colocação de ar condicionado no ambiente, pela selagem de componentes críticos, pelo uso de reguladores de alimentação, pelo uso de blindagens elétricas e aterramento dos circuitos.

c) Erro de Modificação

A diferença conceitual entre o erro de interferência e o de modificação, é que a interferência ocorre no instrumento de medição e o de modificação ocorre na variável sendo medida.

O erro sistemático de modificação é devido à influência de parâmetros externos que estão associados a variável sob medição. Por exemplo, a pressão exercida por uma coluna de líquido em um tanque depende da altura, da densidade do líquido e da aceleração da gravidade. Quando se mede o nível do líquido no tanque através da medição da pressão diferencial, o erro devido a variação da densidade do líquido é um erro de modificação. Outro exemplo, é na medição de temperatura através de termopar. A milivoltagem gerada pelo termopar depende da diferença de temperatura da medição e da junta de referência. As variações na temperatura da junta de referência provocam erros na medição. Finalmente, a medição da vazão volumétrica de gases é modificada pela pressão estática e temperatura.

O modo de eliminar os erros de modificação é fazer a compensação da medição. Compensar uma medição é medir continuamente a variável que provoca modificação na variável medida e eliminar seu efeito, através de computação matemática. No exemplo da medição de nível com pressão diferencial, mede-se também a densidade variável do líquido e divide-se este sinal pelo sinal correspondente ao da pressão diferencial. Na medição de temperatura por termopar, a temperatura da junta de referência é continuamente medida e o sinal correspondente é somado ao sinal da junta de medição. Na medição de vazão compensada de gases, medem-se os sinais proporcionais à vazão, pressão e temperatura. Os sinais são computados de modo que as modificações da vazão volumétrica provocadas pela pressão e temperatura são canceladas. d) Erro Causado Pelo Sensor

O elemento sensor do instrumento pode também causar erros na medição. Por exemplo, a introdução do poço termal causa turbulência na vazão, a colocação de um bulbo de temperatura absorve energia do processo, a colocação da placa de orifício produz uma ,perda de carga na linha, a colocação de um amperímetro introduz uma resistência parasita no circuito elétrico.

e) Erro Causado Pelo Instrumento

O próprio instrumento de medição pode introduzir erro na medição. Por exemplo, o amperímetro que é inserido no circuito elétrico para medir a corrente que circula pode modificar a corrente medida. Ou seja, a corrente que circula no circuito sem o amperímetro é diferente da corrente do circuito com o amperímetro. A resistência interna no amperímetro modificou a corrente do circuito. Esse erro é devido ao casamento das impedâncias do circuito e do amperímetro. O amperímetro deve ter uma impedância igual a zero. Amperímetro com resistência interna zero não modifica a corrente medida. Analogamente, a impedância do voltímetro pode alterar a voltagem a ser medida. A impedância ideal do voltímetro é infinita. Voltímetro com impedância infinita não introduz erro na medição da voltagem. Nestas aplicações, diz-se que o instrumento de medição carregou o circuito; o instrumento de medição é uma carga adicional ao circuito. 9.8. Erro Aleatório

Os erros aleatórios são devidos à probabilidade e chance. Eles são imprevisíveis e aparecem por causas irregulares e probabilísticas. Eles são diferentes em medições repetidas do mesmo valor de uma quantidade medida, sob as mesmas condições.

Os erros aleatórios causam as medições se espalharem mais ou menos e simetricamente em tomo do valor médio. Os erros aleatórios afetam a precisão das medições.

Há muitas fontes deste tipo de erro, mas nenhuma delas pode ser positivamente identificada ou medida, porque muitas delas são pequenas e não podem ser detectadas individualmente. O efeito acumulado dos erros indeterminados individuais, porém, faz os dados de um conjunto de medições replicadas flutuarem aleatoriamente em tomo da média do conjunto. As causas dos erros aleatórios são devidas a : 1. variabilidade natural da constante; 2. erros intrínsecos ao instrumento dependentes da qualidade dos circuitos e mecanismos; 3. erros irregulares devidos à histerese, banda morta, atrito, backlash; 4. Os erros intrínsecos indeterminados relacionados com o desgaste, o uso, o atrito e a resistência de contato; 5. erros de influência que aparecem de uma variação rápida de uma variável de influência.

O erro de histerese é o desvio que depende da direção de aproximação da medição, ou seja, o valor da medição é diferente para a aproximação por cima ou por baixo do valor medido. A histerese pode ser provocada por atrito, características de materiais magnéticos, backlash, folgas.

O erro de banda morta é aquele provocado quando se altera a variável medida e a indicação do instrumento se mantém constante. Banda morta é a faixa de variação da entrada que não produz nenhum efeito observável na saída do instrumento. A banda morta é produzida por atrito, backlash ou histerese.

Backlash é máxima distância ou ângulo que qualquer peça de um sistema mecânico pode ser movida em uma direção sem aplicação de força ou movimento apreciável para uma próxima peça em uma seqüência mecânica.

Toda medição possui um erro. Quando são tomados todos os cuidados para eliminar os erros de operação e de calibração, restam os erros aleatórios. Os erros aleatórios não podem ser eliminados, mas estatisticamente conhecidos. O seu tratamento é feito por métodos estatísticos, fazendo-se muitas medições, verificando a distribuição e a freqüência da ocorrência.

A determinação do erro aleatório se baseia em valores médios, medianas, desvios padrão e distribuição normal.

Se o objetivo do sistema é ter medições repetitivas e não necessariamente exatas, é importante apenas reduzir o erro aleatório; não se importando muito com o erro de sistemático. Ou seja, há sistemas onde o que importa é a repetibilidade e a precisão, sendo suficiente a medição inexata.

Inversamente, se o interesse do sistema é ter o valor exato da medição, pois se quer os valores absolutos, como na compra e venda de produtos, além da repetibilidade se requer a exatidão. 9.9. Erro Resultante Final

O erro na medição não está somente no instrumento de indicação (display) mas em todos os componentes da malha de medição, como sensor, elemento condicionador de sinal, linearizador e filtro. Uma questão importante levantada é: qual o erro total do sistema ou da malha?

A precisão da medição pode assim ser definida como a soma dos erros sistemáticos e aleatórios de cada componente do sistema ou da malha. Isto é uma hipótese pessimista, onde se admite que todos os erros são na mesma direção e se acumulam.

Alguém mais otimista poderia estabelecer a precisão final do sistema como igual à pior precisão entre os componentes. Ou seja, considera-se somente a precisão do pior instrumento e desprezam-se as outras precisões melhores.

Pode-se ainda determinar a precisão final como a média ponderada das precisões individuais. Enfim, não há uma regra fixa ou recomendação de como proceder. É uma questão de bom senso.

Quando realmente se quer saber a precisão real do sistema, deve-se usar um padrão que dê diretamente o valor verdadeiro e comparar com a leitura final obtida.

Para se ter uma idéia qualitativa de como pequenos erros produzem uma incerteza total, imagine uma .situação em que quatro erros pequenos se combinam para dar um erro total. Seja cada erro com uma igual probabilidade de ocorrer e que cada um pode fazer o resultado final ser maior ou menor por um valor ±U.

A tabela mostra todas os modos possíveis dos quatro erros serem combinados para dar o desvio indicado da média. Somente uma combinação de erros dá o desvio de +4U, quatro combinação dão um desvio de +2U e seis combinações dão um desvio de 0U. Os erros negativos tem a mesma combinação. Esta relação de 1:4:6:4:1 é uma medida da probabilidade de um desvio de cada valor. Quando se aumenta o número de medições, pode-se esperar uma distribuição de freqüência como a mostrada na figura. A ordenada no gráfico é a freqüência relativa de ocorrência de cinco combinações possíveis.

Tab. 3. Combinações Possíveis de 4 Incertezas Iguais

Combinações das incertezas

Tamanhos dos Erros

Número de Combinações

Freqüência Relativa

+UI+U2+U3+U4 4U 1 1/16 = 0,0625 -UI+U2+U3+U4 +UI-U2+U3+U4 +UI+U2-U3+U4 +2U 4 4/16 = 0,250 +UI+U2+U3-U4 -UI-U2+U3+U4 +UI+U2-U3-U4 +UI-U2+U3-U4 -UI+U2-U3+U4 0 6 6/16 = 0,375 -UI+U2+U3-U4 +UI-U2-U3+U4 +UI-U2-U3-U4 -UI+U2-U3-U4 -UI-U2+U3-U4 -2U 4 4/16 = 0,250 -UI-U2-U3+U4 -UI-U2-U3-U4 -4U 1 1/46 = 0,0625

A figura mostra a distribuição teórica para dez incertezas de igual probabilidade. Novamente se verifica

que a ocorrência mais freqüente é a de desvio zero da média. A ocorrência menos freqüente, de máximo desvio 10 U ocorre somente em uma vez em 500 medições.

Cada componente de um sistema ou passo de um procedimento de contribui com algum erro na medição. Visto como um sistema dinâmico, uma medição não pode ser mais confiável que o componente ou passo menos confiável. Uma medição não pode ser mais confiável que o componente menos confiável. Um instrumento não pode ser mais precisão que o módulo menos preciso. O conhecimento das fontes de erros mais importantes e a consideração do modo em que os erros se propagam são importantes no uso e projeto de instrumentos e procedimentos.

A propagação do erro aleatório pode ser rastreada matematicamente usando-se uma medida da precisão, como o desvio padrão e desenvolvendo as equações que descrevem a dinâmica do sistema. O erro sistemático pode também ser rastreado através do sistema, baseando-se nas equações diferenciais parciais. 10. Calibração dos Instrumentos 10.1. Introdução

A exatidão de qualquer medição é uma comparação da conformidade desta medição com o padrão. A manutenção de padrões e a calibração de equipamentos de teste é um processo muito caro, mas o desempenho de todo os sistema depende diretamente da exatidão de cada componente do sistema. Embora o equipamento de

medição muito exato seja caro, baratear este equipamento significa piorar o seu desempenho e diminuir sua precisão.

Os principais motivos para justificar a calibração de um instrumento são:

1. garantia de que a medição do instrumento é exata; 2. melhorar e manter a qualidade do sistema que depende da medição do instrumento; 3. atendimento de exigências legais ou de contratos comerciais, principalmente quando estão envolvidas a compra

e venda de produtos através da medição. Há algumas confusões clássicas de terminologia em Metrologia. Uma zona de turbulência se refere aos

termos exatidão e precisão; outra, aos termos calibração, aferição e ajuste. Para alguns, calibrar e aferir possui o mesmo significado para a operação de verificar um atributo do

instrumento e ajustar é a operação que além disso, envolve atuação no instrumento. Para outros a aferição envolve apenas a verificação de um atributo do instrumento e calibração envolve obrigatoriamente um ajuste. Para outros, não existe aferição, mas apenas calibração, quando há apenas a verificação do atributo e ajuste, quando há atuação no instrumento.

Para eliminar estas dúvidas ambigüidades, cada usuário deve definir, em sua empresa, quais os termos a serem usados, através de uma terminologia coerente. A norma ISO 9000 se refere indistintamente a instrumentos de calibração e aferição. 10.2. Comprovação Metrológica

Comprovação ou confirmação metrológica é o conjunto de operações necessárias para assegurar-se que um dado equipamento de medição está em condições de conformidade com os requisitos para o uso pretendido (ISO 10012-1/1993). A comprovação é um termo criado recentemente e inclui, entre outras atividades, calibração, manutenção, lacração ou marcação com etiqueta. 10.3. Tipos de calibração a) Calibração Direta e Indireta

A calibração direta com a fonte de entrada conhecida é da mesma ordem de precisão que a calibração primária. Os equipamentos que são .calibrados diretamente são também usados como dispositivos de calibração secundária. Por exemplo, uma turbina medidora de vazão pode ser diretamente calibrada, usando uma medição primária, tal como o método do tanque gravimétrico. Depois, a turbina pode ser usada para a calibração secundária de outros medidores, tais como o medidor magnético, a placa de orifício.

A calibração indireta é baseada na equivalência de dois diferentes equipamentos que podem ser empregados para medir uma determinada quantidade física. Por exemplo, a exigência da similaridade dinâmica entre dois medidores de vazão geometricamente similares é obtida através da igualdade dos números de Reynolds. Assim, se pode prever o desempenho de um medidor em função do estudo experimental de outro ou se pode calibrar um medidor usando outro líquido diferente que o do processo. b) Calibração de Rotina

A calibração de rotina é o procedimento de verificar periodicamente a precisão e o funcionamento do instrumento, comparando-o com padrões conhecidos e facilmente reproduzíveis. A calibração envolve vários ajustes, a verificação da leitura e da magnitude da saída.

Na calibração feita segundo procedimentos escritos; tipicamente são executados os seguintes passos: 1. a inspeção visual do instrumento para os defeitos físicos explícitos e óbvios; 2. a verificação do instrumento quanto a instalação, de acordo com as recomendações da literatura do fabricante e

das normas de engenharia; 3. o ajuste de zero, da largura de faixa, da linearidade dos indicadores, quando aplicável; 4. os testes operacionais para detetar defeitos maiores. 10.4. Aspectos Comerciais e Técnicos

A calibração de um instrumento possui dois enfoques: 1. comercial; 2. técnico.

O enfoque comercial e de gerenciamento envolve os aspectos de datas, intervalos de calibração, manutenção de banco de dados atualizados, registro de relatórios e certificados de calibração, garantia da existência e principalmente do uso dos procedimentos.

O enfoque técnico da calibração envolve as classes de exatidão e precisão relativas do padrão e do instrumento sob calibração, elaboração técnica dos procedimentos claros e simples, manutenção e preservação dos padrões, estudo estatístico dos relatórios para verificar erros aleatórios e sistemáticos.

Um programa de calibração enfeixa estes dois aspectos técnico e comercial e cuida de materiais, equipamentos, instrumentos, procedimentos, condições ambientais e pessoas.

O sistema deve garantir o uso de padrões de referência para calibração do instrumento de medição e teste. Esta calibração, por sua vez, deve ser rastreável a um laboratório da Rede Brasileira de Calibração credenciado pelo lnmetro ou ao próprio lnmetro ou ainda ser derivada de valores aceitos nacionalmente como constante física nacional.

Para garantir uniformidade de desempenho e continuidade operacional, todos os procedimentos associados à calibração devem ser devidamente documentados. Os parâmetros a serem definidos são: 1. fixar intervalos de calibração adequados e compatíveis com a realidade dos instrumentos, padrões e processos

envolvidos; 2. listar todos os padrões de referência com nomenclatura própria e números de identificação; 3. fornecer ambiente adequado para a calibração, mantendo temperatura, pressão, umidade e dentro de faixas

estreitas e definidas; 4. fazer procedimentos de calibração para todos os instrumentos e padrões; 5. seguir os procedimentos na hora de fazer as calibrações, gerando relatórios e documentos simples, objetivos e

claros; 6. prover meios de verificação dos equipamentos e padrões, incluindo cross-checking, periodicamente; 7. corrigir imediatamente as irregularidades encontradas; 8. usar etiquetas coláveis ou fixáveis, dependuradas, indicando o status da calibração; 9. fazer formulários para serem preenchidos como registros, folhas de dados, relatórios de ensaios, certificados,

comunicação de não-conformidade. 10.5. Calibração interna ou externa

A calibração pode ser feita : • pelo próprio usuário, principalmente nos níveis .mais baixos, envolvendo os instrumentos de medição, padrões

de trabalho e padrões de laboratório; • pelo laboratório credenciado da Rede Nacional de Calibração, pelo fabricante do instrumento ou pelo laboratório

nacional ou internacional. Justifica-se calibrar nas próprias oficinas do usuário:

1. instrumentos comuns, de precisão industrial, que requer um padrão disponível na própria planta; 2. quando a quantidade de instrumentos é muito grande, justificando economicamente ter um laboratório para a

calibração periódica destes instrumentos. Justifica-se enviar um instrumento para ser calibrado externamente quando :

1. o usuário possui poucos instrumentos; 2. quando a calibração requer padrões com precisão muito elevada e portanto de altíssimo preço; 3. para comparação inter-laboratorial; 4. por exigência legal.

Qualquer quer seja o local da calibração, o responsável final pela calibração é o usuário. 10.6. Requisitos Técnicos da Calibração

A condição fundamental para a calibração válida é que o padrão de referência esteja calibrado (exato) e que seja, por construção, de melhor qualidade (preciso) que o aparelho sob calibração.

A calibração correta e confiável de um instrumento ou de um padrão deve atender aos seguintes requisitos: 1. se basear na replicação das medidas, usando-se as medições como base de decisão; 2. ter padrões rastreados para comparação das medições feitas; 3. ser feita em ambiente com temperatura, pressão e umidade controladas; 4. ser feita por especialista habilidoso e experiente; 5. seguir procedimentos claros e objetivos, escritos pelo executante da calibração; 6. possuir um período de tempo de validade, após o qual deve ser refeita;

7. ter registros documentados e arquivados para evidenciar sua execução. Há pessoas que pensam (erradamente) que estas exigências da calibração são novas e impostas pelas

normas ISO 9000. Estas mesmas pessoas acham que as calibrações de instrumentos não pertencentes ao Sistema de Qualidade não necessitam destas exigências e principalmente podem ser usados padrões não rastreados. Qualquer calibração para ser válida e confiável deve satisfazer as exigências acima. a) Condições Ambientais

As condições de calibração do instrumento ou padrão inferior devem ser as recomendadas pelos procedimentos e pelos fabricantes do instrumento.

A área deve ser limpa, sem vibração mecânica, sem interferências eletrostáticas e eletromagnéticas quando houver envolvimento de equipamentos elétricos e com a temperatura na faixa de 17 a 21 oC e umidade relativa entre 35 e 55%. Estas exigências são devidas, principalmente, aos padrões de calibração envolvidos.

As condições de calibração devem ser controladas; ou quando isso não for possível, devem ser conhecidas para as devidas correções. As condições devem ser estabelecidas no procedimento e anotadas nos registros.

Atualmente é prática comum calibrar a malha de instrumentos, in loco, com os instrumentos montados no processo e na área industrial. Estas condições devem ser conhecidas e documentadas e quando requerido, devem ser aplicados os fatores de correção devidos à temperatura e outras influências do ambiente. b) Intervalos de Calibração

Os instrumentos de medição industriais devem ser calibrados periodicamente por instrumentos de teste de trabalho. Os instrumentos de trabalho devem ser calibrados periodicamente por padrões secundários ou de transferência. Os instrumentos de transferência secundária devem ser calibrados com padrões primários ou de referência.

Os períodos de cada calibração dependem da qualidade do instrumento, das condições ambientais, do treinamento do pessoal envolvido, do tipo da indústria, da idade dos instrumentos, da manutenção corretiva dos instrumentos. Os períodos não são imutáveis e nem fixos. Podem ser alterados em função de: 1. recomendações do fabricante; 2. legislação vigente; 3. freqüência de utilização (maior uso implica em períodos mais curtos). Uso incorreto requer recalibração

imediata; 4. severidade e agressão ambiental. Maior agressividade do ambiente implica em menor período de calibração; 5. características de construção do instrumento; instrumento mais frágil requer calibrações mais freqüentes;

instrumentos com peças móveis requerem calibrações mais freqüentes; 6. precisão dos instrumentos em relação à tolerância do produto ou da medição; menor tolerância do produto,

calibração mais freqüente dos instrumentos envolvidos; 7. posição na escada hierárquica de rastreabilidade: geralmente instrumentos mais próximos da base da pirâmide

(menos precisos, de medição e de teste de oficina) requerem calibrações mais freqüentes que os do topo (mais precisos, padrões primários);

8. criticidade e importância da medição efetuada; maior a conseqüência do erro, implica em menor intervalo de segurança. Medição envolvendo segurança, menor período de calibração; medição envolvendo vidas humanas, obrigação legal de calibração, geralmente com períodos definidos por lei.

c) Procedimentos de Calibração

Devem ser escritos procedimentos (também chamados de padrões) de calibração de instrumentos para eliminar fontes de erros devidas às diferenças de técnicas, condições do ambiente, escolha dos padrões e dos acessórios e mudança do técnico calibrador. Estes procedimentos não são os manuais de calibração do fabricante. Os procedimentos devem incluir os aspectos técnicos destes manuais de operação, porem devem ser mais abrangentes.

Os procedimentos devem ser usados pelo pessoal envolvido e responsáveis pela calibração. Eles. devem ser elaborados com a participação ativa deste pessoal. Os procedimentos devem garantir que: 1. pessoas diferentes obtenham o mesmo resultado quando calibrando instrumentos iguais ao mesmo tempo; 2. a mesma pessoa obtenha o mesmo resultado quando calibrando o mesmo instrumento em épocas e locais

diferentes. Os procedimentos devem ser escritos numa linguagem simples, clara e acessível e o seu conteúdo deve

ter, no mínimo:

1. objetivo do procedimento; 2. normas de referência e recomendações do fabricante; 3. lista dos padrões requeridos (modelo, exatidão); 4. lista dos instrumentos de teste, fontes de alimentação, pontos de teste e ligações; 5. descrição do princípio de medição ou teoria do método empregado; 6. estabelecimento das condições ambientais do local onde será feita a calibração: temperatura, pressão, umidade,

posição, vibração, blindagem a ruídos elétricos e acústicos; 7. instruções, passo a passo, da calibração, envolvendo preparação, ajustes, leituras, comparações e correções; 8. formulários para a coleta e anotação dos dados, relatórios, tabelas e certificados; 9. estabelecimento da próxima data de calibração. d) Registros de Calibração

Os registros de calibração garantem e certificam foram usados padrões válidos e consistentes, que os prazos de validade da calibração estão sendo seguidos e que a exatidão dos instrumentos está sendo mantida. 10.7. Calibração da Vazão

A calibração da vazão depende de padrões de volume (comprimento) ou massa e tempo. A calibração primária se baseia no estabelecimento de vazão de regime através do instrumento sendo calibrado e a medição subseqüente do volume ou massa do fluido que passa através do medidor durante um intervalo de tempo preciso. Se existir uma vazão constante, a vazão volumétrica ou mássica pode ser inferida de algum procedimento. Qualquer medidor preciso e estável calibrado através de um método primário se torna um padrão secundário de vazão, que pode calibrar outros medidores menos precisos.

O afastamento das condições de uso daquelas da calibração podem invalidar a calibração. As possíveis fontes de erro na medição de vazão são: 1. variações das propriedades do fluido (densidade, viscosidade e temperatura); 2. orientação do medidor (alinhamento com a tubulação); 3. nível de pressão; 4. distúrbios na vazão (cotovelos, válvulas, obstáculos inseridos) principalmente a montante (antes do medidor) e

com menor influência, a jusante (depois do medidor). A vazão é uma variável de processo que envolve o tempo. Por isso, a calibração de medidores de vazão é

mais complexa, pois além da medição de um volume ou massa, também se necessita medir precisamente intervalos de tempo.

A calibração do medidor de vazão consiste em ajustar o desempenho do medidor para que ele meça a vazão dentro dos limites de precisão predeterminados, sob as condições de operação definidas. A calibração de vazão é geralmente feita para certificar a precisão do fator do medidor, pela medição da saída do medidor sob condições de vazão que sejam hidraulicamente similares à instalação real, ou seja, com equivalência do número de Reynolds. Isto não garante que a precisão seja mantida em toda a faixa de medição. Alguns ajustes podem ser feitos no elemento sensor (palhetas da turbina, eletrodos do medidor magnéticos posição do “probe” do vortex) ou no circuito eletrônico do sistema.

Geralmente a precisão da medição de vazão de líquidos é melhor que a de gases, que são compressíveis e dependem mais das variações de pressão, temperatura e viscosidade. A maioria das vazões de líquidos em pequenas e médias tabulações, tem números de Reynolds iguais a cerca de 106; as vazões de gases correspondem a números de Reynolds iguais e maiores que 107. Alguns medidores não operam vazões com número de Reynolds muito baixo.

Há vários métodos disponíveis para a calibração de medidores de vazão, mas pode-se distingui-los em duas categorias diferentes: in situ e no laboratório O fluido medido pode ser líquido ou gás. A calibração de medidores de vazão de líquidos é mais direta e fácil do que a de medidores de gases, pois o líquido pode ser armazenado em vasos abertos e a água pode ser usada como o líquido padrão de calibração.

O principais fundamentos usados para calibração de medidores de vazão de líquido, in situ ou em laboratório, para líquidos ou gases são: uso de medidor master calibrado, prover e métodos volumétrico e gravimétrico. Aplicáveis apenas a gases, tem-se o gasômetro e o bocal sônico. Finalmente, como sistema de medição de vazão com placa é calibrado sem padrão de vazão, pode-se usar o sistema com placa para fazer calibração de outros medidores, embora sua precisão seja média. a) Prover

O prover balístico é útil para medidores com pequena constante de tempo e alta resolução, como turbina, deslocamento positivo e vortex. Nos medidores com resposta rápida, a vazão atinge o estado de regime permanente muito rapidamente e a integração da vazão instantânea para dar o volume total é conseguida pela totalização dos pulsos da saída em um contador. A integração fornece uma vazão total precisa mesmo que a vazão não esteja perfeitamente constante.

O calibrador usa um pistão acionado pneumaticamente e selado com anéis de Teflon® percorrendo um tubo de precisão e deslocando um volume de fluido de calibração através do medidor de vazão a ser calibrado. As medições precisas do tempo e do deslocamento do pistão móvel são usadas em um sistema de aquisição de dados de um computador, que dá uma precisão típica de ± 0,02% do valor medido.

O prover não-balístico é um tubo comprido em forma de U e um pistão ou esfera elástica. O medidor de vazão a ser calibrado é instalado na entrada do prover e a esfera é forçada a percorrer o comprimento do tubo por um líquido fluindo. Chaves são colocadas nas extremidades da tubulação e operam quando a esfera passa por elas. O volume varrido da tubulação entre as duas chaves é determinado pela calibração inicial e este volume conhecido é comparado com o registrado pelo medidor de vazão durante a calibração. b) Medidor mestre (master)

Por esta técnica, um medidor de precisão conhecida e melhor do que a do medidor sob calibração, é usado como padrão de calibração. O medidor a ser calibrado e o medidor mestre são ligados em série, de modo que a mesma vazão de regime passe pelos dois. Para garantir uma calibração consistente e precisa, o medidor mestre também deve ser recalibrado periodicamente, rastreado com um outro de maior precisão. Este outro padrão, também deve ser rastreado com outro superior. O instrumento .mestre típico para padrão de vazão é a turbina, que rastreada pode dar precisões de até 0,05 % do valor medido. Para grandes vazões, é típico usar o medidor magnético rastreado como padrão. c) Método volumétrico

Nesta técnica, a vazão do líquido através do medidor sob calibração é divergida em um tanque de volume conhecido. Quando o tanque é cheio totalmente, o seu volume é comparado com a quantidade integrada pelo medidor sendo calibrado. d) Método gravimétrico

Nesta técnica, a vazão do líquido através do medidor sob calibração é divergida para um tanque que é pesado continuamente ou depois de tempo predeterminado. O peso do líquido é comparado com a leitura registrada do medidor de vazão sob calibração.

O sistema de calibração de peso dinâmico envolve: 1. um reservatório do líquido; 2. uma tubulação onde o medidor sob calibração é montado; 3. bomba para fazer o líquido circular; 4. outro tanque onde o líquido será pesado; 5. um atuador automático do temporizador; 6. balança onde o tanque com líquido é comparado com pesos de precisão; 7. um temporizador; 8. válvula para variar o valor da vazão; 9. válvula de retenção para permitir a vazão em um único sentido; 10. trocador de calor para manter a temperatura constante; 11. válvula operada por solenóide; 12. filtro para manter o líquido limpo. 10.8. Laboratório de vazão

Um laboratório de vazão é uma facilidade construída com o propósito de medir a vazão através de tubulação, com grande precisão. Como resultado das limitações práticas, a maioria dos laboratórios usa a água e o ar como os fluidos para líquido e gás, respectivamente, devido ao grande acervo de dados experimentais precisos e disponíveis. Para aplicações com outros fluidos diferentes da água e do ar ou o desempenho em outras condições de operação, usam-se fatores de correção baseados no fluido real e procura-se manter o mesmo número de Reynolds,

para a calibração e para o serviço real. Neste caso, há incertezas introduzidas, que serão mínimas, quando as propriedades do fluido forem definidas e conhecidas.

Os laboratórios de vazão são geralmente operados e mantidos por fabricantes de medidores de vazão (por exemplo, Enginstrel/Engematic, Sorocaba, SP), que os utilizam para a calibração e estudo dos medidores fabricados. Existem também os laboratórios independentes (por exemplo, IPT, São Paulo, SP), que são mais versáteis e extensivos do que os mantidos pelos fabricantes.

Há usuários de medidores de vazão que também possuem o seu sistema de calibração de vazão, consistindo principalmente de um medidor mestre com desempenho rastreado em laboratório de vazão certificado, usado como padrão de comparação para outros medidores.

A maioria dos laboratórios atuais usa computadores para receber os sinais dos sensores, calcular a vazão, documentar os resultados do medidor sendo calibrado e traçar as curvas de calibração.

A calibração do medidor em uma facilidade de calibração é chamada de calibração hidráulica ou molhada. Dependendo do tipo do medidor, a calibração inclui o sensor e o transmissor, ou como par casado ou independentes entre si. A calibração seca é uma calibração sem colocar o medidor em vazão. A calibração a seco geralmente se restringe ao elemento secundário e assume-se que o elemento primário seja descrito com precisão, por relações empíricas desenvolvidas de medidores hidraulicamente semelhantes, em vários laboratórios de vazão. A calibração a seco é efetivamente uma calibração do transmissor eletrônico ou pneumático.

O custo para desenvolver e montar um laboratório de calibração de vazão é proibitivo para o usuário, principalmente quando o número de medidores a calibrar é pequeno. É mais econômico e efetivo usar laboratórios de calibração de fabricantes ou credenciados pelos laboratórios nacionais. No Brasil, o Instituto de Pesquisas Técnicas (São Paulo, SP), Engematic-Engistrel (Sorocaba, SP), Nansen (Belo Horizonte, MG) possuem laboratórios para calibração de medidores de vazão, que embora não pertençam (ainda) à Rede Brasileira de Calibração, possuem padrões rastreados por laboratórios internacionais. 11. Padrões 11.1. Introdução

Toda calibração requer um ou vários padrões. A medição requer a definição de unidades, o estabelecimento de padrões de medição, a formação de escalas e a comparação de quantidades medidas com as escalas. O padrão fornece a ordem de comparação, primária, secundária ou mais baixa contra a qual um instrumento pode ser calibrado.

Há vários tipos diferentes de padrões de medição, classificados conforme sua realização, função e tipo de aplicação: 1. físico e de receita; 2. internacional e nacional; 3. primário e secundário; 4. de trabalho e de oficina; 5. materiais de referência certificada. 11.2. Padrões Físicos e de Receita

Padrão físico ou material é baseado em uma entidade física, como uma quantidade de metal ou um comprimento de uma barra de metal. O padrão material físico deve ser armazenado em condições de temperatura, pressão e umidade especificas e deve ser rastreado periodicamente.

O padrão que não é físico, mas que pode ser reproduzível em qualquer lugar do mundo, baseando-se em fenômenos físicos, procedimentos e métodos específicos é chamado de padrão de receita. Atualmente, o padrão de receita substitui o padrão físico, por causa da maior facilidade de reprodução.

Atualmente, a única unidade definida como padrão material é o kilograma; todas as outras unidades são fixadas por meio de definições de receitas.

Há pessoas que acham que um padrão físico não requer rastreabilidade, o que é incorreto. Por exemplo, os blocos padrão para calibração de comprimento ou as massas padrão para calibração de balança devem ser periodicamente calibrados e certificados. Eles podem se modificar em função de corrosão, desgaste mecânico ou fadiga. 11.3. Padrão Internacional e Nacional

Os padrões internacionais são os dispositivos projetados e construídos para as especificações de um fórum internacional. Eles representam as unidades de medição de várias quantidades físicas na maior precisão

possível que é obtida pelo uso de técnicas avançadas de produção e medição. Eles estão guardados em Sèvres e não são disponíveis para o usuário comum e suas necessidades diárias de calibração.

Os padrões internacionais são definidos de modo que possam ser reproduzidos em um grau aceitável de exatidão e quando definidos, o problema seja realizar este padrão. Há um padrão primário para cada unidade. As outras quantidades são definidas por padrões primários reprodutíveis, ou seja, que podem ser estabelecidas localmente, quando necessário. Na prática, os equipamentos e procedimentos envolvidos requerem laboratórios altamente especializados. Os padrões internacionais são primários. 11.4. Padrão Primário ou de Referência

Os padrões primários são dispositivos mantidos pelas organizações e laboratórios nacionais, em diferentes partes do mundo. Eles representam as quantidades fundamentais e derivadas e são calibrados de modo independente, através de medições absolutas.

A principal função dos padrões primários é a de calibrar e certificar periodicamente os padrões secundários. Como os padrões internacionais, os primários não são disponíveis para o usuário final.

O INMETRO, em Xerém, RJ, é responsável legal pela manutenção dos padrões primários no Brasil. Estes padrões primários não saem do INMETRO. A principal função de um padrão primário é a calibração e verificação dos padrões secundários. No Brasil, o INMETRO credencia os laboratórios que formam a Rede Brasileira de Calibração.

O padrão primário é também chamado de padrão de referência. Ele é fixo e reprodutível, não sendo acessível como objeto de calibração industrial e é necessário padrões práticos para as quantidades derivadas.

Os padrões primários são os mais precisos existentes. Eles servem para calibrar os secundários. Todos os padrões primários precisam ter certificados. Os certificados mostram a data de calibração, precisão, condições ambientes onde a precisão é válida e um atestado explicando a rastreabilidade com o Laboratório nacional. O padrão primário é certificado por padrões com maior hierarquia. Quando o sistema é calibrado contra um padrão primário, tem-se uma calibração primária. Após a calibração primária, o equipamento é empregado como um padrão secundário.

Há ainda outra conotação para padrão primário, não relacionada com o seu grau de precisão mas com a sua fabricação. Existem instrumentos e dispositivos que, por construção, possuem uma propriedade constante dentro de determinados limites de incerteza e conhecida. Esta propriedade pode ser usada para calibrar outros instrumentos ou padrões de menor precisão. Sob este enfoque, são padrões primários a placa de orifício, bocal sônico, célula Weston, diodo Zener e resistência de precisão .

Uma placa de orifício é considerada um padrão primário de vazão pois ela é dimensionada e construída segundo leis físicas aceitas e confirmadas de modo que ela irá medir a vazão teórica, dentro de determinados limites de incerteza e desde que sejam satisfeitas todas as condições de projeto. A calibração de um sistema de medição de vazão com placa de orifício não requer padrão de vazão, mas somente um padrão de pressão diferencial. Desde que placa gere a pressão diferencial de projeto, o sistema indicará a vazão correta.

Um bocal sônico é também um padrão primário de vazão. Ele é dimensionado e construído segundo uma geometria definida e valores de pressão a montante e a jusante, de modo que, numa determinada situação passará por ele uma vazão conhecida e constante, que pode ser usada para calibrar outros medidores de vazão. Por construção, ele grampeia um determinado valor de vazão que passa por ele.

Analogamente ao bocal sônico, o diodo zener é um padrão primário de tensão elétrica. Por construção e em determinada condição de polarização e temperatura, o diodo zener mantém constante uma tensão nominal através de seus terminais e esta tensão pode ser usada para calibrar outros medidores de tensão elétrica.

Uma célula Weston é outro padrão primário de tensão, pois por construção e sob determinadas condições de corrente e temperatura, ela fornece uma voltagem constante de 1,018636 V (@ 20 oC).

Mesmo que estes padrões não tenham a menor incerteza da cadeia metrológica de sua grandeza, eles são chamados também de padrões primários. 11.5. Padrão Secundário ou de Transferência

Os padrões secundários são também instrumentos de alta precisão mas de menor precisão que a dos padrões primários e podem tolerar uma manipulação normal, diferente do extremo cuidado necessário para os padrões primários. Os padrões secundários são usados como um meio para transferir o valor básico dos padrões primários para níveis hierárquicos mais baixos e são verificados contra padrões primários.

O padrão secundário é o padrão de transferência. Ele é o padrão disponível e usado pelos laboratórios de medição e calibração na indústria. Cada laboratório industrial é responsável exclusivo de seus padrões secundários. Cada laboratório industrial deve periodicamente enviar seus padrões secundários para os laboratórios nacionais para

serem calibrados contra os primários. Após a calibração, os padrões secundários retornam ao laboratório industrial com um certificado de precisão em termos do padrão primário.

11.6. Padrão de Oficina

Os padrões de oficina são dispositivos de alta precisão e comercialmente disponíveis, usados como padrões dos laboratórios industriais. Eles não são usados para o trabalho diário de medições, mas servem como referência de calibração para os instrumentos de uso geral e diário. Os padrões de oficina devem ser mantidos em condições especificas de temperatura e umidade. A calibração com os padrões de oficina é chamada de calibração secundária. Usa-se um dispositivo de calibração secundária para a calibração de um equipamento de pior precisão. A calibração secundária é a mais usada na instrumentação. Por exemplo, a célula padrão pode ser usada para calibrar um voltímetro ou amperímetro usado como padrão de oficina. O voltímetro padrão serve para calibrar um voltímetro de menor precisão, que é o padrão de trabalho. O voltímetro de menor precisão é usado para fazer as medições rotineiras do trabalho. 11.7. Padrão de Trabalho

Os padrões de trabalho são dispositivos de menor precisão e comercialmente disponíveis, usados como padrões para calibrar os instrumentos de medição do processo. dos laboratórios industriais. Eles são usados para o trabalho diário de medições, geralmente são portáteis e de uso coletivo e por isso sua precisão se degrada rapidamente e eles requerem calibrações freqüentes. Atualmente, por causa da opção escolhida de se calibrar a malha de processo, in loco, os fabricantes desenvolveram robustos e precisos instrumentos para uso na área industrial, para a calibração dos instrumentos do processo.

Deve-se tomar cuidados com relação ao local de uso dos instrumentos portáteis, observando e cumprindo as exigências de classificação mecânica do invólucro e classificação elétrica, para não danificar o instrumento e não explodir a área. 11.8.Rastreabilidade a) Conceito

Rastreabilidade (traceabilitly) é a propriedade do resultado de uma medição pela qual esta pode ser relacionada com os padrões de medição apropriados, geralmente internacionais ou nacionais através de uma cadeia ininterrupta de comparações. A cadeia ininterrupta de comparações é chamada de cadeia de rastreabilidade. Rastreabilidade é o principio em que a incerteza de um padrão é medida contra um padrão superior, permitindo que a incerteza do instrumento seja certificada. Isto é conseguido por uma auditoria para cima, de padrões mais baixos para padrões superiores. Todo sistema válido de padrões deve se conformar com este princípio da rastreabilidade, onde o padrão inferior que é aferido contra um padrão .superior é certificado e sua incerteza é garantida.

Os instrumentos de medição das variáveis do processo requerem calibrações periódicas, referidas a padrões de oficina. Periodicamente, os padrões de oficina também devem ser calibrados e rastreados com outros padrões interlaboratoriais e padrões de referência nacional. Para isso, é fundamental que as quantidades físicas envolvidas tenham os seus padrões definidos e disponíveis.

As normas recomendam, mas não obrigam números limites entre as exatidões dos instrumentos calibrados e dos padrões. Por exemplo, é comumente encontrada a relação mínima de 4:1 (NIST) ou 3:1 (INMETRO) as normas militares falam de 10:1. Porém, todos estes números são sugestões e não são mandatórios. O risco aceitável associado com a medição varia com cada processo e em uma mesma planta, pode se adotar relações de incertezas diferentes. O estabelecimento da relação se baseia em aspectos econômicos (quanto maior a relação, maior o custo dos padrões da escada metrológica) e técnicos (quanto maior o número, menor a interferência da incerteza do padrão na incerteza do instrumento calibrado). O resultado final desta escolha é um compromisso entre os valores de aceitação e de incerteza.

Pode-se até fazer a calibração com um instrumento com mesma classe de precisão (cross checking). Geralmente é aplicada no recebimento de instrumentos ou padrões, após transporte para verificação de violações ou antes da data do vencimento de calibração, apenas para verificar a manutenção da exatidão.

Quando o fator é pequeno (3 ou 4), o custo do padrão é baixo mas a exatidão do padrão deve ser somada à precisão do instrumento calibrado. Quando o fator for grande (10), maior é o custo do padrão porém o instrumento calibrado não herda nenhuma incerteza do padrão.

b) Relação entre incertezas

Como enfatizado várias vezes, nenhuma norma estabelece relações entre as incertezas do padrão e do instrumento sob calibração, mas há apenas sugestões. O usuário é que define esta relação, em função de custos dos padrões, precisão requerida pelo processo. Sob o aspecto técnico esta escolha se resume em um compromisso entre incerteza e aceitação.

A relação de 1:1 (incerteza do padrão igual à do instrumento calibrado) reflete uma área de incerteza de 100 % uma área de aceitação de 0 %. Todas as medições cairão dentro da área de incerteza. A relação de incertezas de 1:1 pode indicar ou não se os instrumentos calibrados estão de conformidade com as tolerâncias descritas e não fornece nenhuma confiança para a medição.

A relação de 4:1 (incerteza do padrão 4 vezes menor que a do instrumento calibrado) reflete uma área de incerteza de 25% e uma área de aceitação de 75%.

A relação de 10:1 (incerteza do padrão 10 vezes menor que a do instrumento calibrado reflete uma área de incerteza de 10 % e uma área de aceitação de 90 %. Esta relação fornece um maior grau de confiança nas medições e reduz o erro potencial da medição.

Quando as medições caem dentro da área da aceitação, consegue-se atingir o grau de confiança das medições. Quando as medições caem dentro da área da incerteza, a decisão de aceitar ou rejeitar as medições pode ser questionável. O padrão com uma alta precisão auxilia muito a se fazer a decisão correta de aceitar ou rejeitar as medições feitas. 11.9. Normas e Especificações a) Norma

Norma é algo estabelecido pela autoridade, usuário ou consenso geral como um modelo ou exemplo a ser seguido. Existem normas de conduta para uma sociedade política e normas técnicas para uma sociedade tecnológica. Uma norma técnica é uma regra para uma atividade especifica, formulada e aplicada' para o benefício e com a cooperação de todos os envolvidos. Geralmente, uma norma é um documento que estabelece as limitações técnicas e aplicações para itens, materiais, processos, métodos, .projetos e práticas de engenharia.

A norma é um documento que indica materiais, métodos ou procedimentos de fabricação, operação, manutenção ou testes de uma certa classe de equipamentos ou instrumentos. Por exemplo, há normas para manômetros, termômetros, medidores de vazão, vasos e tabulações de alta pressão. A norma fornece limites na faixa de materiais e propõe métodos aceitáveis, de modo que um produto ou procedimento possa satisfazer o objetivo para o qual ele foi projetado.

No Brasil, o órgão credenciado para gerar normas é a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), que é uma empresa, não-governamental, sem fins lucrativos, credenciado pelo INMETRO. b) Especificações

A função de uma especificação é a descrição de um produto em termos da aplicação que o usuário pretende fazer dele. A especificação pode ter a mesma função da norma e algumas especificações são, de fato, normas ou elas podem ser derivadas e resultados de uma norma.

As especificações usualmente são mais detalhadas e menos genéricas para uma aplicação particular do que as normas.

As especificações e normas formam a base do sistema industrial. As especificações são essenciais a toda operação de compra-venda, tomando possível a padronização básica para o sistema de fabricação em massa industrial. Há aproximadamente 85 000 normas governamentais, publicas e privadas em uso nos Estados Unidos. c) Hierarquia

Pode-se identificar uma hierarquia de normas usadas pela sociedade. As normas de valor são as de mais alto nível, em termos de seu impacto na sociedade. Estas normas tratam da regulação de radioatividade e da necessidade de água e ar limpo. As normas regulatórias são derivadas das normas de valor básicas. Há três tipos de normas regulatórias: 1. códigos e regulações da indústria, que são produzidas pela indústria; 2. normas regulatórias consensuais produzidas pelos membros das associações de normas e governo; 3. normas regulatórias mandatórias que são produtos exclusivos dos governos.

d) Tipos de Normas

A ABNT edita seis tipos diferentes de normas: 1. método de teste descreve os procedimentos para determinar uma propriedade de um material ou desempenho de

um produto; 2. especificação é uma declaração concisa das exigências a serem satisfeitas por um produto, material ou processo; 3. prática é o procedimento ou instrução para auxiliar a especificação ou método de teste; 4. terminologia fornece as definições e descrições dos termos, explicações de símbolos, abreviações e acrônimos; 5. guia oferece uma série de opções ou instruções mas não recomenda um modo de ação especifico; 6. classificação define os arranjos sistemáticos ou divisões de materiais ou produtos em grupos baseados em

características similares. e) Abrangência das Normas A norma pode ter quatro níveis em função do grau de consenso necessário para seu desenvolvimento e uso. 1. norma de companhia, é o nível mais baixo, usado internamente para projeto, produção, compra ou controle de

qualidade. O consenso é entre os empregados da companhia; 2. norma da indústria desenvolvida tipicamente por uma sociedade ou associação profissional. O consenso para

estas normas é entre os membros da organização; 3. norma governamental reflete muitos graus de consensos. Às vezes, o governo adota normas preparadas pela

iniciativa privada mas outras vezes elas podem ser escritas por um pequeno grupo; 4. norma de consenso total é o tipo de norma desenvolvido por todos os setores representativos, incluindo

fabricantes, usuários, universidades, governo e consumidores. f) Relação Comprador-Vendedor As normas e especificações possuem as funções comercial e legal de : 1. estabelecer níveis de aceitação do produto entre fabricante e comprador; 2. fornecer os níveis de qualidade, funções e desempenho do produto.

A norma deve ter o bom senso de estabelecer ,limites tolerados razoáveis, de modo que o preço do produto seja acessível e o seu desempenho seja bom. O usuário quer um bom produto e não uma excelente especificação mas nenhum produto comercialmente disponível. Para tanto: 1. o usuário deve saber o que quer e ter clara a função do produto a ser aplicado. O usuário deve estabelecer: faixa

de medição, exatidão, estabilidade, configuração e condições do processo que podem afetar o desempenho, resposta e contabilidade do produto sendo aplicado.

2. o usuário deve conhecer as normas técnicas e legais e determinar como elas devem ser usadas para se obter o desempenho projetado do produto.

3. o usuário e o fornecedor devem concordar no documento de compra em que partes da especificação aplicam-se os limites concordados, que meios serão empregados prelo fabricante para se garantir que o produtor está dentro destes limites e que meios o usuário deve empregar para verificar se o produto entregue, de fato, satisfaz as especificações e as normas envolvidas.

O uso inteligente de normas e especificações garante produtos melhores e medidores mais exatos e confiáveis nas aplicações do usuário. 11.10. Organizações de Normas

Qualquer medição é feita com relação a outra medição. Quando se fala de exatidão, implica em uma medição comparada com algum padrão aceitável para esta medição. Os padrões nacionais para todas as medições no Brasil estão guardados no INMETRO.

Tab. Laboratórios Nacionais de Metrologia

País Laboratório Brasil Inmetro - Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial EUA NIST - National Institute of Standards and Technology (ex-NBS, National Bureau of Standards)

França BIPM - Bureau lnternational de Poids et Mesures UK NPL - National Physical Laboratory

Alemanha PTB - Physikalisch-Technische Bundesanstalt

Itália Instituto de Metrologia Gustavo Colonnetti Inmetro O Sistema Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial (SINMETRO) foi criado pela lei 5966 de 11 DEZ 73, com a finalidade de formular e executar a política de Metrologia, Normalização e Certificação de Qualidade dos produtos brasileiros. O SINMETRO tem a responsabilidade de estabelecer o Sistema Nacional de Medição (SNM) e é composto de: 1. INMETRO - Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial; 2. Conselho Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial (CONMETRO).

O INMETRO estabelece a base técnica, legal e ética para todas as medições, principalmente para aquelas que envolvem compra e venda. O processo de medição envolve amostras, padrões físicos, materiais de referência certificados, garantia da qualidade metrológica, normas e procedimentos. O INMETRO é também o depositário destes parâmetros. Para realizar esta tarefa extensa, o INMETRO criou a Rede Nacional de Calibração, credenciando determinados laboratórios para emitir certificados de calibração em quantidades especificas. Nesta rede de hierarquia, o INMETRO tem o nível mais alto com os seus padrões nacionais.

II - SISTEMA COM PRESSÃO DIFERENCIAL

1- Elementos dos Sistema

O sistema de medição de vazão consiste de dois elementos separados e combinados: 1. o elemento primário; 2. o elemento secundário.

O elemento primário está em contato direto com o processo, sendo molhado pelo fluido. Ele deteta a vazão, gerando a pressão diferencial.

Estão associados com o elemento primário os seguintes parâmetros básicos: sua geometria fixa, o comprimento reto da tubulação antes e depois do ponto da sua instalação, as condições da vazão, a localização das tomadas da pressão.

O elemento secundário deteta a pressão gerada pelo elemento primário. O elemento secundário mais usado é o transmissor. A pressão diferencial gerada pelo elemento primário é medida através das tomadas pelo elemento secundário. O elemento secundário é montado externamente ao processo.

Estão associados com o elemento secundário os seguintes parâmetros: as linhas da tomadas, as válvulas de bloqueio e de equalização e o instrumento condicionador do sinal de pressão diferencial. O instrumento condicionador pode ser o indicador, o computador analógico, o totalizador/contador, o registrador ou o controlador.

O valor medido da pressão diferencial depende da localização das tomadas, da restrição (abrupta ou gradual), do tamanho do orifício, do projeto do elemento primário, da tubulação a montante (antes) e a jusante (depois) do elemento primário.

Fig.1. Sistema de medição com elemento gerador de

pressão diferencial 1.1. Elemento Primário

Os termos elemento primário a pressão diferencial, elemento tipo head, elemento gerador de pressão diferencial, elemento deprimogênio possuem o mesmo significado e designam o tipo especifico de restrição: a placa de orifício, o tubo venturi. o tubo pitot, o bocal, o tubo Dall, o elemento de resistência linear, o anular, o annubar.

O fluido cuja vazão vai ser medida, ao passar por qualquer uma dessas restrições, provoca uma queda de pressão que é proporcional ao quadrado da vazão. A pressão diferencial depende da área desta restrição na tubulação e de outros fatores relacionados com a vazão do fluido. 1.2. Elemento Secundário

O elemento secundário é o dispositivo, associado ao elemento primário, responsável pela medição da pressão diferencial gerada. O elemento secundário pode ser o elemento sensor de pressão diferencial ou o transmissor de pressão diferencial.

O elemento sensor de pressão diferencial é usado com o indicador e o registrador local. A grande vantagem de seu uso é a não necessidade de fonte de alimentação externa, elétrica ou pneumática.

Fig. 2. Diafragma ou câmara Barton (Foxboro)

O outro elemento secundário é o transmissor de pressão diferencial, chamado d/p cell. Ele possui um

elemento sensor de pressão diferencial e o mecanismo de geração do sinal padrão pneumático ou eletrônico Ele necessita de uma fonte externa de alimentação pneumática ou elétrica. 2.Placa de Orifício

A placa de orifício é o elemento primário de vazão do tipo restrição mais usado. Ela é aplicada na medição de vazão de líquidos limpos e de baixa viscosidade, da maioria dos gases e do vapor d'água em baixa velocidade.

Embora simples, a placa de orifício é um elemento de precisão satisfatória. O uso da placa de orifício para a medição da vazão é legalmente aceita, mesmo em aplicações comerciais de compra e venda de produto. 2.1. Materiais da Placa

Como o fluido do processo entra em contato direto com a placa, a escolha do material da placa deve ser compatível com o fluido, sob o aspecto de corrosão química.

A placa de orifício pode ser construída com qualquer material que teoricamente não se deforme com a pressão e e não se dilate com a temperatura e que seja de fácil manipulação mecânica. Os materiais mais comuns são: aço carbono, aço inoxidável, monel, bronze, latão.

A velocidade do fluido é também um fator importante, pois a alta velocidade do fluido pode provocar erosão na placa. A baixa velocidade pode depositar material em suspensão do fluido ou lodo na placa. 2.2. Geometria da Placa

A placa consiste de uma pequena chapa de espessura fina, circular, plana, com um furo com cantos vivos. A posição, o formato e o diâmetro do furo são matematicamente estabelecidos.

O desempenho da placa depende criticamente da espessura e da planura da placa e do formato dos cantos de furo central. O desgaste do canto do furo, a deposição de sujeira no canto ou na superfície da placa e a curvatura na placa podem provocar erros grosseiros na medição da vazão. Por exemplo, quando há deposição, tomando o furo menor, tem se uma maior pressão diferencial e portanto uma indicação maior que a vazão real.

Fig. 3. Geometria simplificada da placa concêntrica com canto vivo quadrado (square edge)

a) Canto vivo (square edge)

Em tubulações com diâmetros iguais ou maiores que 50 mm (2"), a placa de orifício concêntrico é a restrição mais comumente usada para medir vazões de líquidos limpos, gases e vapores em baixa velocidade. Ela é uma placa fina, plana, com um furo concêntrico com cantos vivos.

A precisão da medição de vazão com placa de canto vivo varia de ± l % a ± 5% do fundo de escala. A precisão depende do tipo do fluido, da configuração da tubulação a montante e a jusante, do elemento sensor da pressão diferencial e se há correções do número de Reynolds, do fator de expansão dos gases, da dilatação térmica da placa, do diâmetro interno da tubulação e de outros efeitos.

O canto vivo pode ter um chanfro (bevel) e a parte inclinada fica a jusante. Quando a placa é colocada ao contrário, com o chanfro a montante o valor medido é maior que o teórico. A placa com chanfro, por ser assimétrica, só pode medir o fluido em uma direção; a placa com canto vivo pode medir vazão bidirecional.

Enquanto as normas diferem acerca do mínimo número de Reynolds aceitável, o valor de 10.000 (104) é o consensual. O máximo número de Reynolds pode ser igual a 3,3 x 107.

Fig. 4. Placa de orifício com canto vivo e chanfro a jusante

b) Canto cônico e arredondado

Quando o número de Reynolds está abaixo de 104 (Fluidos viscosos, tubulações com pequenos diâmetros), é mais conveniente o uso de placa com o canto do orifício a montante arredondado ou cônico. Em tubulações pequenas, com diâmetros entre 12 mm a 40 mm (1/2" a 1 1/2") os efeitos das rugosidades da tubulação, da excentricidade da placa e do canto vivo de furo são amplificados, resultando em coeficientes de descarga imprevisíveis.

Fig. 5. placa com orifício quadrante

O contorno arredondado ou cônico possui coeficientes de descarga mais constantes e previsíveis, para números de Reynolds baixos. Para Re baixo, o coeficiente de um orifício com canto vivo reto pode variar de até 30%, mas para canto arredondado ou cônico o efeito é apenas 1a 2%.

A placa arredondada é largamente usada nos EUA e a cônica, na Europa.

Fig. 6. Placa com canto cônico ou arredondado

c) Orifício excêntrico e segmentado

A placa com orifício excêntrico e com orifício segmentado constitui uma alternativa de baixo custo para a medição de Fluidos difíceis, com sujeira e com sólidos em suspensão.

A desvantagem de seu uso é a pequena quantidade e disponibilidade dos dados experimentais. d) Orifício integral

Quando a tubulação é menor ou igual a 25 mm (1”) a placa se toma tão pequena que é possível colocá-la dentro da conexão de processo do transmissor de pressão diferencial. Assim, quando se tem pequenas vazões de fluidos limpos, é comum instalar o orifício dentro da tomada de processo do transmissor.

Nesta configuração, os orifícios já são disponíveis com os furos e diâmetros padronizados e são escolhidos pela vazão máxima a ser medida.

A instalação é compacta, mesmo quando se usa o tubo de by-pass. A precisão final é de aproxímãdamente ± 2 a ± 5% do fundo de escala.

Fig. 7. Orifício integral com manifold (Foxboro)

e) Orifício de restrição

O orifício de restrição é uma placa de orifício, porém, em vez de ser um elemento de vazão (FE) é aplicado para criar uma determinada queda de pressão fixa ou para limitar a vazão instantânea.

O orifício de restrição é dimensionado como a placa; o mínimo β é de 0,10 e não há limite para o β máximo. Como não há medição da vazão, não há tomadas da pressão diferencial, embora possa haver indicações da pressão a jusante e a montante. f) Furo para condensado ou vapor

É uma prática comum se ter um pequeno furo adicional na placa de orifício. Quando se tem a medição de vazão de gás com condensado, utiliza se o furinho abaixo do furo principal, para a passagem do condensado e quando se tem líquido com gás em suspensão, o furinho deve ser acímã do orifício principal.

O furinho adicional deve ficar tangente a parede interna do tubo. O diâmetro deste furo adicional não pode exceder a 5% do furo principal. g) Porta-placa

Quando há a necessidade de trocas freqüentes e rápidas da placa de orifício sem interrupção do processo e sem uso de bypass, como na medição de vazão de gás e óleo em plataformas marítímãs, é comum o uso de um dispositivo, errônea mas comumente chamado de válvula Daniel ou Pecos.

A troca pode ser feita com ou sem a despressurização da linha. O dispositivo possui dois compartimentos isolados entre si. Durante a instalação ou a remoção da placa, o compartimento superior fica selado do inferior, que mantém a placa na posição de operação.

Fig. 8. Porta-válvula (Daniels)

2.3. Montagem da Placa

A placa de orifício é montada em uma tubulação, sendo colocada entre duas flanges especiais. As flanges que sustentam a placa de orifício podem incluir as tomadas da pressão diferencial.

A qualidade da instalação afeta o desempenho da placa. A vazão medida deve ser laminar e não deve haver distúrbios antes e depois da placa. As válvulas, as curvas, as bombas e qualquer outro elemento de distúrbio de vazão podem distorcer o perfil da velocidade e criar redemoinhos, introduzindo erros na medição. Por isso, são requeridos trechos retos de tubulação antes e depois da placa. Tipicamente, a jusante deve se ter um comprimento reto no mínimo igual a 5D e a montante, o trecho reto mínimo deve ser de 20 D, onde D é o diâmetro interno da tubulação.

O tamanho requerido da tubulação reta antes e depois do elemento primário depende do elemento primário. Estas informações relacionadas com a placa de orifício, bocais e tubo venturi estão estabelecidas em normas (ANSI 2530; ASEM e ISO 5167). Há pequenas diferenças entre estas normas. A norma ISO é mais conservativa, exigindo os maiores trechos retos mínimos.

Fig. 9. Figura típica para determinar trecho reto

mínimo a jusante e a montante da placa Quando há dificuldades relacionadas com os comprimentos de trechos retos, a colocação de retificadores

de vazão antes da placa possibilita o uso de menor comprimento reto. Porém, a colocação de retificadores eleva o custo da instalação eliminando a grande vantagem do sistema.

Quando todas as outras condições são mantidas constantes, quanto maior o β da placa, maiores trechos retos são necessários.

A condição da tubulação, das seções transversais, das tomadas da pressão diferencial, dos comprimentos retos a montante e a jusante do elemento primário, as linhas do transmissor de pressão diferencial afetam a precisão da medição. Alguns destes parâmetros podem ter pequena influência, outros podem introduzir grandes erros de polarização.

A instalação do elemento primário deve estar conforme as condições de referência e/ou as normas. A norma ISO 5167 (l990) fornece as exigências para a tubulação de referência:

1. a condição visual do lado externo da tubulação, quanto ao efeito de trecho reto e da circularidade do diâmetro da seção;

2. a condição visual da superficie interna da tubulação; 3. a condição de referência para a rugosidade relativa da superfície interna da tubulação; 4. a localização dos planos de medição e o número de medições para a determinação do diâmetro interno médio da

tubulação (D); 5. a especificação de circularidade para o comprimento especifico da tubulação que precede o elemento sensor; 6. o máximo desnível permissível entre a tubulação e o medidor de vazão; 7. a precisão do coeficiente de descarga.

A garantia do bom desempenho da placa depende da inspeção periódica da placa e se necessário, da limpeza da placa. O período das inspeções é função das características do fluido, se ha formação rápida de lodo, se corrosivo, se abrasivo. 2.4. Tomadas da Pressão Diferencial

A pressão diferencial gerada pela placa de orifício deve ser medida e condicionada em uma forma mais útil. Fisicamente, ambas as tomadas devem ter o mesmo diâmetro, devem ser perpendiculares a tubulação e não devem ter rugosidade e rebarba no ponto de contato.

As tomadas da pressão diferencial associadas com a placa de orifício podem ser de cinco tipos básicos, cada tipo com vantagens e desvantagens. a) Vena contracta

A máxima pressão gerada não acontece exatamente na posição de orifício mas em um ponto logo após a placa, chamado de vena contracta. Teoricamente, este .é o ponto ideal para a medição da pressão diferencial, pois se tem o menor erro relativo.

Na prática, isso não é muito vantajoso, pois o ponto de mínima pressão varia com o beta da placa. Quando se troca a placa de orifício, a tomada a jusante deve ser recolocada. O ponto de tomada a jusante é dado por curvas e tabelas disponíveis. b) Tubo (Pipe)

A distância a montante é de 2,5D e a jusante, 8D. É o tipo de tomada conveniente quando se tem pequeno sinal de pressão diferencial. Tipicamente isso

acontece em medição de gás, em medições pequenas e quando se tem beta grande. c) Flange

As distâncias a montante e a jusante são iguais entre si e iguais a 1". É a montagem aplicável para as tubulações com diâmetro maiores que 25 mm (1”). É a montagem mais usada no Brasil. d) Canto

As tomadas são feitas rente a placa; as distâncias são iguais a zero. Esta montagem é conveniente para pequenas tubulações. Fisicamente se mede a pressão junto a placa mas externamente as tomadas são feitas através das flanges, como na tomada tipo flange. e) Raio

A distância a montante é de D e a jusante, de 0,5D. A posição das tomadas independe do beta da placa. É uma montagem muito pouco usada. 2.5. Perda de Carga e Custo da Energia

Em muitas aplicações, o custo da energia extra resultante da perda de carga permanente é um fator importante na seleção do medidor de vazão. Os custos de bombeamento são muitas vezes significativos, em grandes tubulações e podem justificar a seleção de um medidor de vazão com custo inicial elevado mas com pequena perda de carga permanente.

2.6. Protusões e Cavidades

Se houver protusão ou cavidade na tubulação, antes ou depois do elemento primário, mas próximo dele, o perfil da velocidade do fluido é afetado.

As gaxetas e os pontos de solda que se prolongam na tubulação aumentam a turbulência do fluido e alteram o perfil de velocidade.

Quando se mede a temperatura do processo para a sua compensação, o poço termal deve ser localizado após o elemento sensor e a uma distância adequada para assegurar a mínima distorção no perfil.

Quando se mede a pressão estática do processo para a sua compensação, a tomada de pressão pode ser feita na tomada de baixa pressão diferencial. a) Precisão do sistema

A medição de vazão com placa de orifício é precisa o suficiente para ser aceita legalmente em operações de compra e venda de produtos.

Enquanto se fala de uma precisão de 0,5% do fundo de escala para a placa isolada, a instalação completa possui precisão próxímã de 5% do fundo de escala.

Algumas incertezas da medição com placa :

Precisão do transmissor ± 1,0 % Precisão do receptor ± 1,0 %

Tolerância do β ± 0,2 % Incerteza da medição da pressão ± 0,75%

Incerteza da medição da temperatura ± 0,75% Incerteza do coeficiente descarga ± 0,5 %

Incerteza do comprimento reto tubo ± 0,5 % Precisão-Incerteza final ± 4,45 %

b) Rangeabilidade do medidor

Define-se como rangeabilidade de um medidor, a relação do máximo valor medidor dividido pelo mínimo valor medidor, com o mesmo desempenho. A rangeabilidade é inerente a relação matemática que envolve a variável de processo medida com a grandeza fisicamente sentida.

A pressão diferencial gerada pela placa de orifício é proporcional ao quadrado da vazão. Esta relação não linear entre a vazão e a pressão diferencia medida toma pequena a rangeabilidade da medição.

A rangeabilidade típica é de 3: 1. Isto significa que um sistema de medição de vazão com placa de orifício dimensionado para medir a vazão máxima de 100 GPM, com a precisão de ± 2 % do fundo de escala, medirá a vazão mínima de 33 GPM com aproxímãdamente a mesma precisão de ± 2 %. A medição de vazões menores que 33 GPM terão erros maiores que ± 2 % do fundo da escala.

Quando se quer aumentar a rangeabilidade da medição, usam-se dois ou três sistemas de placas de orifício em paralelo. Cada sistema mede uma faixa e eles são escalados para a medição de vazões progressivamente decrescentes. O chaveamento automático transfere a vazão de um medidor para outro, dependendo da vazão. Tais sistemas são efetivos e resolvem o problema da pequena rangeabilidade inerente aos sistemas de medição de vazão a pressão diferencial porém sacrificam a simplicidade básica, a contabilidade e a economia do medidor convencional.

É ilusório pensar que a utilização do extrator de raiz quadrada aumenta a rangeabilidade da medição de vazão com placa de orifício. Mesmo que o extrator de raiz quadrada possibilite o uso de escala linear, o instrumento tem também dificuldade para detetar os pequenos valores da vazão. c) Influência do número de Reynolds

Os medidores pressão diferencial são também afetados pela variação no número de Reynolds do fluido cuja vazão está sendo medida. Um simples e único fator de correção para o número de Reynolds compensa os efeitos combinados da viscosidade, velocidade e diâmetro relativo da tubulação. Para grandes tubulações, altas velocidades e baixas viscosidades dos Fluidos, o número de Reynolds é grande e as correções requeridas são geralmente desprezíveis.

Quando a vazão passa de turbulenta para laminar, diminuindo o número de Reynolds, a correção se toma necessária e importante. Uma consequência importante e útil da correção do número de Reynolds é que, para a medição precisa, um sistema de medição de vazão tipo pressão diferencial pode ser calibrado com água. A vazão de outros Fluidos, incluindo gases, pode ser precisamente determinada da medição de pressão diferencial e da densidade real do fluido, levando em consideração as correções para quaisquer diferenças entre o número de Reynolds nas condições de operação e o número de Reynolds nas condições de calibração.

3. Sensores da Pressão Diferencial

A placa de orifício gera a pressão diferencial proporcional ao quadrado da vazão medida. Deve se, depois, medir e condicionar esta pressão diferencial gerada para completar o sistema de medição da vazão. Os instrumentos mais usado para medir a pressão diferencial são o transmissor de vazão e o diafragma. 3.1. Diafragma Sensor de Pressão Diferencial

Em algumas aplicações o transmissor de pressão diferencial pode ser substituído pelo diafragma ou câmara Barton, que sente a variável pressão diferencial e produz na sua saída um pequeno movimento.

O diafragma é usado principalmente em locais onde não se dispõe de energia elétrica ou pneumática para alimentar o transmissor. O diafragma não necessita de alimentação externa; a pressão diferencial medida produz um torque com energia suficiente para posicionar um ponteiro de indicação, uma pena de registro ou um mecanismo de controle.

Fig. 10. Registrador de vazão com elemento de

pressão diferencial (Foxboro) 3.2. Transmissor de Pressão Diferencial

O transmissor de pressão diferencial, pneumático ou eletrônico, é o instrumento mais usado em associação com o elemento primário gerador da pressão diferencial.

O transmissor possui uma cápsula com grande área sensível, para ser capaz de detetar as pequenas faixas de pressão diferencial. Ele deve suportar alta pressão estática, tipicamente até 400 kgf/cm2. Quando há problema no elemento primário, de modo que esta alta pressão estática fica aplicada em apenas uma das tomadas, a cápsula do transmissor deve possuir proteção de sobre-faixa e não se danificar. Esta classe de transmissores, aplicáveis principalmente para a medição de vazão e de nível é chamada genericamente de d/p cell.

Fig. 11. Transmissor d/p cell inteligente (Foxboro)

3.3. Montagem do transmissor

A instalação dos elementos primário e secundário deve ser cuidadosa de modo a não haver erros de medição e nem danificarão dos instrumentos envolvidos.

A instalação completa do sistema consiste de: 1. tomadas do processo; 2. válvulas de bloqueio de alta e baixa pressão; 3. ligação para o medidor secundário; 4. válvula de equalização ou de zero.

As linhas de ligação ou tomadas do processo conectam a tubulação com o elemento sensor da pressão diferencial, ou mais freqüentemente, com o transmissor de pressão diferencial. As linhas de tomada são arranjadas de modo que seja fácil a remoção do elemento secundário para a eventual manutenção ou calibração. O transmissor deve estar o mais próximo possível da tubulação, para diminuir o ancoro da resposta e reduzir as possibilidades de ressonância ou a atenuação dentro das tomadas.

Existem tabelas relacionando o comprimento das tomadas, o diâmetro mínimo das tomadas e o fluido a ser medido.

A válvula equalizadora possibilita a zeragem do elemento secundário sem o desligamento das linhas. Em todas as montagens deve se usar o conjunto para by pass e equalização, com 3 ou 5 válvulas distribuidoras, montados integralmente aos transmissores. Há várias montagens diferentes, em função do estado físico do fluido medido: 1. líquido volátil ou não volátil; 2. fluido sujo ou limpo; 3. fluido corrosivo ou não; 4. gás com ou sem condensado.

Quando as linhas são secas, estas ligações são feitas de modo fácil e simples. O sistema se toma mais complexo quando há necessidade de selos, potes, câmaras de condensação, câmaras de sedimentação e purgadores.

Quando as tomadas estão na parte inferior da tubulação, qualquer solido em suspensão pode entupir as tomadas. Quando as tomadas estão na parte superior da tubulação qualquer gás dissolvido pode escapar das tomadas e atingir o indicador introduzindo erro e disturbando a medição.

Os líquidos difíceis, p. ex., corrosivos, viscosos, sujos, solidificantes, voláteis, requerem cuidados especiais. Os líquidos corrosivos devem ser mantidos afastados do elemento secundário. As câmaras de selagem podem ser montadas nas linhas de tomadas, isolando o fluido do processo do elemento secundário. O líquido de selagem não pode se misturar nem reagir com o fluido do processo, nem afetar o fluido ou o material do elemento sensor. Os líquidos de selagem mais comumente usados são: a mistura de etileno-glicol com água, mistura de glicerina e água e ftalato de dibutil para líquidos que se congelam. Para líquidos mais pesados, são usados cloronaftaleno e óleo clorado. Geralmente o líquido de selagem deve ser mais pesado que o fluido do processo. As câmaras ou potes de selagem são geralmente cheias pela metade, através de tomadas de enchimentos com verificação visual, tais como visores. As válvulas de selagem, quando são usadas câmaras de selagem, devem estar localizadas entre os potes de selagem, de modo que o efeito das alturas dos fluidos de selagem pode ser cancelado, quando necessário.

a) Instalação horizontal de Fluidos limpos

Na medição da vazão de líquidos limpos em tubulação horizontal as tomadas devem estar localizadas ao lado da tubulação, com orientação menor que 45 graus.

Na medição da vazão de gases limpos e sem condensados, as tomadas devem estar na vertical, com o transmissor montado em címã da tubulação.

Na instalação do transmissor para a medição de vazão de Fluidos limpos devem ser tomados os seguintes cuidados: 1. instalar o transmissor ao lado da tubulação, com tomadas laterais a tubulação; 2. deixar uma pequena inclinação ascendente, de 80 mm/m para água ou 160 mm/m a 320 mm/m para fluido mais

viscosos; 3. minimizar todos os tamanhos das tomadas; 4. para Fluidos quentes, manter as tomadas próxímãs entre si e suficientemente longas para minimizar as variações

de densidade.

Fig. 12. Instalação horizontal para líquidos limpos (Miller)

b) Instalação vertical para líquidos limpos

O transmissor é montado ao lado da tubulação e abaixo da placa de orifício. O sentido da vazão é para címã.

Fig. 13. Instalação vertical para líquidos limpos (Miller)

c) Instalação horizontal para gás limpo sem condensado

O transmissor deve ser montado acímã da tubulação. As tomadas são feitas na parte superior da tubulação.

Fig. 14. Instalação horizontal para gás

limpo e sem ,condensado (Miller) d) Instalação vertical para gases limpos sem condensado.

O transmissor é montado ao lado de tubulação e acímã da placa de orifício. O sentido da vazão é para címã.

Fig.15. Instalação vertical para gás limpo e sem

condensado (Miller) e) Instalação vertical para líquidos corrosivos ou sujos.

O transmissor é montado ao lado da tubulação e abaixo da placa de orifício. São usados líquidos de selagem.

O sentido da vazão é para címã, para líquidos contendo grande quantidade de gás e é para baixo, para líquidos contendo pequenas partículas solidas.

Os dois T de selagem devem estar na mesma elevação que a tomada de alta pressão. Se a temperatura do processo é maior que 120 oC, o transmissor deve estar afastado da tubulação.

Fig. 16. Instalação vertical para líquidos sujos

ou corrosivos (Miller) f) Instalação horizontal para fluido corrosivos e sujos, com fluido de selagem

Valem as mesmas observações para a instalação de fluido limpos, exceto que são usados dois T, cheios do líquido de selagem e montados ao mesmo nível.

Fig. 17. Instalação horizontal para líquidos sujos e

corrosivos usando fluido de selagem (Miller)

III - TURBINA MEDIDORA DE VAZÃO 1. Introdução

A turbina é um medidor de vazão volumétrica de líquidos e gases limpos, da classe geradora de pulsos, que extrai energia da vazão medida. A turbina é largamente usada por causa de seu comprovado excelente desempenho, obtido a partir das altíssimos precisão, linearidade e repetibilidade

A precisão da turbina é melhor que a de muitos outros medidores de vazão em regime turbulento e é usada como padrão para a calibração e aferição de outros medidores.

A medição com sucesso e precisão da vazão com uma turbina depende de vários fatores. Inicialmente deve se selecionar o medidor e o equipamento condicionador de sinal corretos. A seleção é função da faixa da vazão, da rangeabilidade, da temperatura, da pressão, de várias propriedades do fluido, tais como a densidade a viscosidade, a capacidade de lubrificação, a compatibilidade química com o material das partes molhadas do medidor. Partículas contaminantes e sujeiras em suspensão influem na precisão da medição e na sobrevivência da turbina. A seleção dos circuitos eletrônicos associados depende do ambiente, da informação desejada e do tamanho, rangeabilidade e linearidade do medidor.

Uma vez todos os componentes do sistema tenham sido selecionados corretamente, eles devem ser calibradas de modo que a sua medição seja válida. A viscosidade do líquido e a densidade do gás são muito importantes neste ponto. Por exemplo, uma turbina calibrada em água não pode possivelmente fazer uma medição precisa de óleo combustível. Muitos usuários fazem medições baseadas em fator de calibração marcado na turbina sem considerar a validade deste fator para o fluido específico que está sendo medido naquele momento. 2.Turbina Padrão Integral

O medidor de vazão tipo turbina mais usado é o que utiliza o rotor com eixo longitudinal a vazão, com bitola integral, com diâmetro aproxímãdamente igual ao da tubulação. 2.1. Princípio de Funcionamento

O princípio básico de funcionamento da turbina é o seguinte: a vazão do fluido a ser medida impulsiona o rotor da turbina e o faz girar numa velocidade angular definida. A rotação das pás da turbina é diretamente proporcional a vazão do fluido. Através da deteção mecânica ou eletrônica da passagem das lâminas do rotor da turbina pode se inferir o valor da vazão. Há a geração de pulsos com frequência linearmente proporcional a velocidade do fluido e como consequência, diretamente proporcional a vazão.

Fig. 1. Componentes da turbina: corpo, rotor,

mancais e detetor

2.2 Partes Constituintes a) Corpo

O corpo da turbina abriga o rotor, as peças internas e os suportes. O fluido a ser medido passa pelo interior do corpo. O corpo da turbina é montado como um carretel sanduichado na tubulação.

O corpo da turbina deve suportar a temperatura e a pressão de operação do processo e por isso o seu material deve ter uma resistência mecânica adequada. Como o fluido do processo molha diretamente o corpo da turbina, a escolha do seu material é função da compatibilidade com o fluido do processo, sob o aspecto de corrosão química. Porém, a função dos componentes requer ou rejeita alguns tipos de materiais e isso deve ser considerado na seleção do material do corpo. Por exemplo, para o detetor operar corretamente, o material do corpo entre o rotor e o detetor ano pode ser magnético. As lâminas do rotor devem ser magnéticas, para serem detectadas pelo pickoff.

Fig.2. Corte do corpo da burbina mostrando seus internos

O corpo da turbina pode ser feito de vários tipos de ligas metálicas e polímeros químicos. O material

mais usado é o aço inoxidável 316 e o 303, com a inserção de aço 304 na posição do detetor. Para Fluidos particularmente corrosivos, são usadas ligas especiais. Os materiais ano metálicos são o nylon e o PVC.

O corpo da turbina pode ter as guarnições terminais com roscas fêmeas NPT, frangeadas ou outros tipos menos comuns (Grayloc, Victanlic, Tridover.) Quando as flanges são escolhidas, deve se indicar a classe de pressão.

O diâmetro da turbina expressa o seu tamanho. A máxima vazão a ser medida é o parâmetro determinante do tamanho da turbina. Para a medição de líquidos, a vazão é especificada em GPM ou LPM; para os gases a vazão volumétrica deve ser especificada na condições reais de pressão e temperatura.

Há limites da vazão máxima por causa dos limites naturais da velocidade rotacional impostos pela estatura do rotor e dos mancais, da cavitação provocada pelas lâminas e pela grande perda permanente. Há também limites inferiores de vazão, por causa da deteção e da não-linearidade da região. b) Rotor

A turbina com vazão axial possui um rotor com lâminas girando sobre mancais que são suportados por um eixo central. Todo o conjunto é montado centralizado dentro do corpo por suportes que também possuem retificadores da vazão, a jusante e a montante. A velocidade angular rotacional é proporcional a vazão volumétrica do fluido que passa através do medidor.

Em cada momento que uma lâmina passa pelo detetor, um pulso é gerado. O sinal de saída e um trem de pulsos, com cada pulso correspondendo a um volume discreto do fluido. A totalização dos pulsos dá o volume que passou e a frequência dos sinais indica a vazão instantânea.

Fig. 3. Rotor da turbina apoiado sobre mancais

Quando a vazão é constante, o torque de acionamento do rotor gerado pelo impacto do fluido nas lâminas

balanceia exatamente a força de arraste causada pelos rolamentos, pela viscosidade do fluido e pela força de retomo do detetor magnético.

As lâminas do rotor. são geralmente feitas de aço magnético para gerar um pulso com amplitude suficiente de ser detectada. O aço inox 316, padrão para o corpo, não pode ser detectado magneticamente .e o material padrão é o aço inox ferrítico 430 ou 416. Quando ano se pode usar um material magnético compatível com o fluido a ser medido, usa-se um rotor com material ano magnético e se usa um material magnético para revestir as extremidades das lâminas. Quando há problemas de corrosão, usam se ligas especiais; por exemplo, a liga Hastelloy pode ser detectada magneticamente. c) Mancais e Suportes

As funções do mancal dentro da turbina são as de evitar que o rotor seja levado pela pressão dinâmica do fluido e posicionar o rotor corretamente em relação ao jato do fluido. Ele deve oferecer pequeno atrito de arraste e deve suportar os vigores do processo, como temperaturas extremas, corrosão, abrasoa, transigentes de vazão e de pressão, picos de super-velocidade. A rangeabilidade e a linearidade da turbina dependem do desempenho dos mancais e suportes.

Há três tipos de mancal radial: esférico (ball),cilindro (jornal) e cônico (pivô). c.1) Mancal esférico

Os mancais são com rolamentos esféricos de baixo atrito, comumente de aço inoxidável 440C. Ambos os mancais são usados com um rotor balançado com preciso, com pás usinadas a um ângulo apropriado para melhorar a linearidade e a repetibilidade da turbina. Os mancais esféricos oferecem pequena força de arraste e por isso a turbina tem as características de grande rangeabilidade e excelente linearidade. Os rolamentos são facilmente substituídos e a substituição não influi praticamente no desempenho e não necessita de nova recalibração.

Além dos rolamentos, os mancais possuem retentores para manter o espaçamento e o alinhamento das esferas. Estes retentores são de aço inox 303 ou 410, liga fenólica ou fibra com teflon. Estes materiais devem ser compatíveis com o fluido do processo.

O conjunto do mancal e rotor é fixado axialmente no interior da carcaça, através dos cones e estruturas de apoio.

As aplicações da turbina com rolamentos esféricos são para fluidos limpos e lubrificantes, como óleos hidráulicos, vegetais e de combustão. A grande limitação dos mancais esféricos é que eles são disponíveis somente em aço inox 440C e por isso ano podem ser usados em fluidos incompatíveis com ele. Eles não se aplicam para a medição de água, ácidos ou fluidos com partículas em suspensão. c.2) Mancal cilindro

O mancal cilindro consiste de um eixo acoplado a uma luva (sleeve). Pela escolha dos materiais do eixo e da luva pode-se obter uma configuração lisa e polida para a corrosão ou dura e resistente para a erosão e conveniente para manipular Fluidos sem lubrificação e com contaminantes.

Os materiais típicos são o carbeto de tungstênio, a cerâmica e o stellite, que são extremamente duros e resistentes a Fluidos corrosivos e erosivos; o teflon reforçado e o grafite associados ao eixo metálico são excelentes para manipular Fluidos não-lubrificantes, que ano sejam corrosivos ou abrasivos.

Os suportes cilindros (jornal) são caracterizados por grande força de arraste devido ao atrito de desligamento e por isso as turbinas possuem uma rangeabilidade menor e uma pior linearidade. O seu desgaste pode alterar a força de arraste e quando há troca dos mancais, é necessária nova calibração da turbina. c.3) Mancal pivô

O terceiro tipo de mancal consiste de um eixo suportado por uma superfície cónica. A ponta do eixo pode rolar ou deslizar, depende da carga. O eixo e o suporte são de materiais duros. Por exemplo, a combinação de eixo de carbeto de tungstênio com suporte de safira pode ser usada em turbinas para medir vazões muito baixas, de Fluidos corrosivos e com contaminantes.

Os suportes tipo pivô oferecem menos atrito de partida e de operação que os mancais esféricos. Por causa da pequena área de contato do eixo-suporte, as cargas do suporte ano podem ser muito elevadas. Por isso, estes medidores são mais frágeis, temem vibração e choques mecânicos e ano podem operar em alta velocidade.

Fig. 4. Entrada da turbina com condicionador de

vazão e vista dos suportes d) Materiais

A escolha do material dos mancais é também limitada. Os mancais esféricos são disponíveis em aço inox 440C. Os mancais cilindros são limitados pelas exigência de atrito e de desgaste. As combinações mais usadas são: grafite ou materiais especiais de fibra e RulonR contra aço inox e carteto de tungstênio contra stelliteR. Em medidores pequenos usa se a safira. Infelizmente, a exigência de material compatível com a função e com o fluido pode piorar a linearidade e a rangeabilidade do medidor.

Os retificadores de vazão, na entrada e na saída da turbina, podem ser construidos de qualquer material compatível com a fabricação, com o fluido e com as exigências da estrutura. 2.3. Detetores da Velocidade Angular

O detetor da velocidade gera uma tensão alternada como resultado da passagem das lâminas do rotor que afetam a relutância variável do circuito magnético. O sinal de saída varia entre os fabricantes e usualmente está na faixa de 10 mV a 1 Vrms. A frequência do sinal depende do tamanho e do tipo: tipicamente varia de 10 Hz a 4 kHz. A maior frequência apresenta maior resolução e é a mais usada.

A deteção da velocidade angular pode ser mecânica ou elétrica. A deteção elétrica pode ser magnética ou através de ondas de rádio frequência. a) Deteção eletromagnética

A deteção da velocidade angular da turbina por sensores eletromagnéticos pode ser usada na maioridade das aplicações, excetuando as vazões muito baixas, em que o arraste magnético sobre o rotor afeta consideravelmente o desempenho.

A bobina detetora da velocidade é localizada externamente na parede do corpo e sente a passagem das lâminas. Existem dois tipos de sensores eletromagnéticos: de relutância e indutivo.

O tipo de relutância tem um ímã localizado no centro de uma bobina. Esta bobina eletromagnética cria um campo de fluxo magnético. Quando as pás permeáveis do rotor atravessam o campo, gera-se um sinal de tensão

senoidal, cuja frequência depende da frequência com que as pás do rotor da turbina rompem o campo magnético. Hoje, não se usa mais este detetor porque ele apresenta uma grande força de arraste.

O sensor magnético do tipo indutivo requer um ímã no rotor da turbina para criar o campo de fluxo magnético. É constituído de uma bobina em volta de um núcleo de ferro. Quando os campos de fluxo das pás magnetizadas do rotor passam pela bobina, é induzida uma corrente elétrica alternada com frequência proporcional à velocidade do fluido e portanto, à vazão do fluido. A vantagem da deteção indutiva é a operação em temperatura mais elevadas. A desvantagem é a de ter menor rangeabilidade, pois a turbina não consegue medir vazões muito pequenas, por causa da força de arraste magnética. b) Deteção com rádio frequência

O sensor da velocidade angular da turbina com onda portadora ou do tipo RF não usa ímã e por isso não há o problema da força de arraste magnético sobre o rotor.

A bobina faz parte de um circuito oscilador e a passagem de uma pá do rotor pelo campo de rádio frequência altera a impedância, modulando a amplitude do sinal do oscilador. Usa-se um circuito amplificador para detetar esta variação da amplitude e fornecer um sinal de saída de pulsos com uma frequência proporcional à velocidade de rotação da turbina. A vantagem do detetor de RF é a possibilidade de medir vazões muito pequenas, aumentando a rangeabilidade da turbina. As desvantagens são a limitação da máxima temperatura de operação e a necessidade de usar o pré-amplificador de sinal.

Atualmente há o desenvolvimento de aplicações de detetores ópticos. Esta deteção tem a vantagem da RF e adicionalmente é intrinsecamente segura porque usa cabos de fibra óptica. 2.4. Classificação Elétrica

A turbina com deteção elétrica é um instrumento elétrico e como tal necessita de uma classificação elétrica compatível com a classificação da área onde ele está montada. A classificação elétrica normal é de uso geral, para local seguro. Opcionalmente, a turbina pode ter a classificação elétrica de prova de explosão, para uso em local de risco, tipo Classe I, Grupos B, C e D e Divisão I. Isto consiste de uma conexão NPT integral a turbina e ao detetor que permite a instalação de um conduite ou caixa que engloba o detetor e todos os conectores. 2.5. Turbina para líquido

A turbina para medir a vazão de líquidos é a mais tradicional e a que apresenta menor dificuldade de construção, pois as condições de operação são mais favoráveis. O líquido é praticamente incompreensível, a densidade é maior que a do gás e normalmente, a pressão para a vazão de líquido é muito menor que a de gás. Por exemplo, para se ter o mesmo torque na turbina a velocidade da água é aproxímãdamente 30 vezes menor que a do ar. 2.6. Características

As características de desempenho da turbina, a não ser que seja dito o contrário, se referem às condições ambientes e devem ser indicadas nas unidades SI. a) Faixa de vazão

Expressa as vazões mínima e máxima que podem passar dentro da turbina, tipicamente em m3/s

b) Sensitividade

A sensitividade da turbina é o seu fator K, que é o elo entre os pulsos de saída da turbina (cicios por segundo) e a vazão (volume por segundo). Como consequência, o fator K é expresso em cicios por m3. Freqüentemente se usa o K médio, que é a sensitividade medida em toda a faixa de interesse do usuário. A média é obtida tomando-se os fatores Kmax e Kmin. c) Linearidade

A apresentação normal dos dados de calibração é em ciclos por m3 x frequência, que é a inclinação da curva de vazão x frequência. A linearidade é então expressa como ± % do K médio. d) Queda de pressão

A queda de pressão através da turbina, na máxima vazão de projeto, é expressão como em kPa a uma vazão máxima, quando usada como o fluido específico de medição. 2.7. Condicionamento do Sinal

O sinal de saída do detetor eletromagnético da turbina é um trem de pulsos de tensão, com cada pulso representando um pequeno volume discreto do fluido. A saída elétrica da turbina é transmitida ao equipamento de condicionamento de sinal e depois ao sistema de apresentação dos dados, que pode ser de totalização, indicação, registro, controle ou alarme.

A maioria dos sistemas consiste de um totalizador com uma função de fatorar e escalonar os pulso recebidos. Como a saída de pulsos da turbina não está diretamente em unidades de engenharia de vazão, os circuitos de fator e escalonamento fazem os pulsos representar a vazão na unidade conveniente, como litro, galão.

O totalizador acumula o número de ciclos proporcionais a vazão volumétrica total que passou através da turbina. Um integrador fornece um nível de tensão de corrente contínua proporcional à frequência do sinal. Um scaler multiplica ou divide a frequência da saída da turbina por um fator selecionado, facilitando a apresentação e a redução dos dados.

Muitos sistemas de turbina requerem um sinal analógico para fins de controle ou de registro. Nestes casos, os pulsos devem ser convertidos no sinal padrão de corrente de 4 a 20 mA cc. São disponíveis instrumentos para esta função, chamados de conversores de frequência/corrente. Quando os sistemas envolvem a totalização e a necessidade do sinal analógico, o circuito do totalizador incorpora este circuito e há uma saída opcional com o sinal de corrente de 4 a 20 mA cc.

Há aplicações que necessitam apenas da indicação da vazão instantânea. O indicador, digital ou analógico, recebe diretamente os pulsos e indica o valor da vazão em dígitos ou através do conjunto escala e ponteiro.

Há aplicações com a totalização e a indicação feitas no mesmo instrumento, com um contador para a totalização e com um indicador digital para a vazão instantânea. Como conclusão, os pulsos da turbina são mais adequados para a totalização da vazão e esta operação é feita quase diretamente. Para registro e controle, os pulsos devem ser convertidos em corrente analógica padrão de 4 a 20 mA cc., 2.8. Outras Variáveis de Processo

A turbina mede a vazão volumétrica nas condições reais de operação. Em muitas aplicações práticas, a medição da vazão volumétrica através da turbina exige a medição de outras variáveis do processo, para as devidas compensações dos efeitos na medição e para a interpretação completa dos dados. a) Temperatura

A temperatura do líquido medido afeta o desempenho da turbina. Há um efeito mecânico causado pela expansão ou contração termal da caixa e da turbina quando a temperatura de operação é diferente da temperatura de calibração. A variação da .temperatura afeta as propriedades físicas do fluido medido, especialmente sua pressão de vapor, viscosidade e densidade.

Na medição de vazão de Fluidos compressíveis, como a maioria dos gases e a minoria dos líquidos (amônia, por exemplo), é necessária a medição da temperatura para fins de compensação. b) Pressão

Quando a compressibilidade do fluido é importante, a pressão deve ser medida para fins de compensação. Em medição de vazão mássica, com composição constante do gás, infere-se a densidade do gás pelas medições da temperatura e da pressão. Normalmente a pressão é tomada no ponto de 4 D depois da turbina. c) Viscosidade

A medição da viscosidade cinemática é desejável quando se opera em uma grande faixa de temperatura ou em vazões muito baixas e quando se quer uma grande precisão. A viscosidade do líquido é usualmente determinada indiretamente pela medição da temperatura do líquido em um ponto a 4 D depois da turbina.

Também se mede a temperatura para determinar a viscosidade do líquido, desde que se tenha a curva temperatura x viscosidade do líquido específico sendo medido. d) Densidade

É necessário conhecer a densidade do líquido na turbina quando se deseja os dados de vazão de massa. Teoricamente pode-se medir a densidade diretamente, mas na prática isso é pouco usado, por causa do alto custo e da baixa contabilidade e precisão dos medidores de densidade em linha de processo. O que se faz, na indústria, é medir a densidade indiretamente, através da medição da pressão e da temperatura. Na aplicação de medição de vazão de gases, é necessário que a composição do gás seja constante, para que as medições da pressão e da temperatura sejam equivalentes à medição da densidade. e) Desempenho

A característica mais importante do medidor tipo turbina é sua altíssímã precisão. A turbina é tão precisa que é considerada como padrão secundário industrial. Ou seja, a turbina pode ser usada como um padrão de transferência para a aferição e calibração de outros medidores, como magnético, termal, sônico.

Porem, o desempenho da turbina depende da natureza do fluido e da faixa de medição da vazão. A perda de carga, o fator do medidor, a amplitude da tensão e a frequência do sinal de saída dependem do fluido e da vazão. A turbina necessita da calibração para o estabelecimento do fator do medidor e das características gerais de desempenho. A precisão do medidor tipo turbina dependente do erro inerente da bancada de calibração.

Os parâmetros da precisão do medidor são a repetibilidade e a linearidade. f) Repetibilidade

Por definição, repetibilidade é o grau de concordância de várias medições sucessivas sob as mesmas condições de vazão e de operação, tais como a temperatura, a viscosidade, a vazão, a densidade e a pressão. A repetibilidade típica da turbina é de 0,1 %. g) Linearidade

A linearidade é definida como o máximo desvio em percentagem do fator K médio sobre a rangeabilidade normal de 10:1.

A linearidade pode ser expressa como :

Linearidade K KK

medio

medio maximo

=−⎛

⎝⎜⎞⎠⎟

×100%

A curva de frequência x vazão representa o fator K (pulsos/volume), onde a linearidade é a variação do

fator K em relação a um valor nominal num ponto na curva. É uma reta inclinada, com não-linearidade próxímã do zero.

A faixa linear de um medidor de turbina é a faixa de vazão na qual o fator K permanece constante dentro dos limites declarados. A curva é uma reta horizontal com uma parte não linear, na região de baixa vazão. A não-linearidade é resultante dos efeitos de atrito dos mancais, arraste magnético e o perfil da velocidade dentro do medidor.

Em vazões muito baixas as forças de retardo ultrapassam as forças hidrodinâmicas e o medidor deixa de responder para vazões abaixo de um limite mínimo. Na outra extremidade, desde que a alta pressão evite a cavitação, a velocidade pode ultrapassar de 1,5 a 2 vezes a máxima especificada, durante curtos períodos de tempo, sem problemas. A turbina não deve operar durante longos períodos com velocidade muito elevadas, pois isso é prejudicial a vida aos mancais e a precisão do medidor.

A turbina para gás possui uma linearidade pior do que a turbina para líquido. É mais problemática o aumento da rangeabilidade da turbina de gás, pela diminuição da vazão mínima.

A linearidade de uma turbina depende da faixa de operação e da viscosidade do fluido do processo. A linearidade típica é de ± 0,5 % e se aplica para fluidos com viscosidade cinemática próxímã de 1 cSt (água). Acímã de 1 cSt, a linearidade da turbina se degrada progressivamente.

h) Rangeabilidade

A rangeabilidade é a relação entre a vazão máxima e a vazão mínima para a qual é mantida a precisão específica do medidor.

Por ser um medidor com relação matemática linear entre a frequência e a vazão, a turbina possui uma rangeabilidade típica de 10:1. A vazão máxima pode ser estendida de 100 %, durante curtos intervalos de tempo, sem estrago para a turbina. As penalidades possíveis pela operação acímã da faixa é o aumento da queda de pressão através da turbina e um desgaste maior dos mancais por causa da maior aceleração.

O uso do detetor com rádio frequência, mandatário para turbinas menores que 2", aumenta a rangeabilidade diminuindo o valor da vazão mínima, pois elimina as forças de arraste magnético. O aumento da rangeabilidade da turbina pela diminuição da vazão mínima se aplica principalmente na medição de líquidos. i) Tempo de resposta

A capacidade de responder rapidamente as condições da vazão é uma das vantagens da turbina. A constante de tempo depende do tamanho do medidor, da massa do rotor e do projeto das lâminas. A constante de tempo típica varia entre 5 e 10 milisegundos para turbinas de até 4" de diâmetro. 2.9. Fatores de Influência

Os medidores tipo turbina alcançam uma precisão excepcionalmente boa quando usados sob as devidas condições operacionais: no entanto, são muitos os fatores que podem ter um considerável efeito sobre o desempenho dos medidores tipo turbina: número de Reynolds, viscosidade, valor e perfil da velocidade. a) Número de Reynolds

O número de Reynolds influi na medição feita pela turbina porque ele determina o torque que o fluido exerce no rotor da turbina. O número de Reynolds relaciona as forças de inércia com as forças viscosas. O denominador do número está relacionado com as forças de retardo do rotor e o numerador está relacionado com o momento do fluido. Para a turbina funcionar corretamente é necessário que o momento do fluido prevaleça sobre as forças de atrito, ou seja que o número seja muito maior que o denominador. Para um medidor tipo turbina funcionar devidamente, recomenda-se que esteja operando em estado de vazão turbulento, que é descrito por Re maior que 4000. b) Viscosidade

O arraste viscoso do fluido age sobre todas as partes móveis da turbina, provocando um torque de retardo sobre o rotor. O desvio do fluido pelas pás do rotor provoca uma alteração no momento do fluido e uma força motriz. O rotor gira, então, a uma velocidade em que a força motriz cancela exatamente o torque de retardo.

A faixa linear do medidor é o parâmetro mais afetado pela variação da viscosidade. A experiência mostra que para viscosidade cinemática acímã de 100 cS a turbina não mais apresenta a região linear. O arraste da viscosidade também contribui para a queda da pressão através do medidor e em altas viscosidades, limita a máxima vazão possível.

O tamanho da turbina é também importante e o medidor menor é mais sensível a viscosidade que o maior. O efeito da variação da viscosidade depende do tipo do rotor; turbina com lâminas paralelas é mais

afetada, pela variação da viscosidade. Para uma mesma pressão, a vazão diminui quando a viscosidade do fluido aumenta. Para uma dada

vazão, um aumento da viscosidade pode apresentar uma redução no fator K do medidor. A viscosidade do líquido é altamente dependente da temperatura. Um aumento da temperatura causa uma

diminuição da viscosidade. Por esta razão, a variação da temperatura altera consideravelmente o desempenho da turbina.

c) Densidade do fluido

Conforme se verifica no número de Reynolds, a densidade está no numerador, representando um fator no momento do fluido. Quando o momento do fluido é alterado, a rangeabilidade deve ser alterada a fim de proporcionar o mesmo torque mínimo necessário do rotor no extremo inferior da força de vazão. Ao ajustar a vazão mínima do medidor tipo turbina, a repetibilidade e a faixa linear se alteram.

d) Instalação

Como a maioria dos medidores de vazão, a turbina também é afetada pelos efeitos de uma instalação com dispositivos geradores de distúrbios a montante, como válvula, curvas, junções tês, mau alinhamento. A maioria dos fabricantes sugere instalações com 20 D de trechos retos a montante e 5 D a jusante, onde D é o diâmetro da tubulação. Quando não são disponíveis trechos retos de tamanhos suficientes, usam-se retificadores de vazão; o valor típico do trecho reto a montante cai para 10 D, quando se usa retificador. e) Cavitação

A baixa contrapressão pode causar cavitação num medidor tipo turbina. Basicamente, a cavitação é a ebulição do líquido causada pela redução na pressão ao invés da elevação na temperatura.

A perda de carga é aproxímãdamente proporcional ao quadrado da vazão e é tipicamente de 3 a 10 psi. Há uma vazão máxima em que o medidor pode operar para uma pressão de entrada constante devido a cavitação. Quando a pressão do líquido se aproxímã de sua pressão de vapor, a vaporização local pode acontecer logo atrás das pás do rotor, provocando um aumento artificial na velocidade do fluido, que pode aumentar drasticamente o fator K.

Como regra, a mínima pressão a jusante deve ser o dobro da máxima queda de pressão na turbina mais duas vezes a pressão de vapor do líquido medido. f) Perfil da velocidade

A geometria do sistema de tubos a montante e imediatamente a jusante do rotor afeta o perfil da velocidade do fluido. Os distúrbios provocados por válvulas de controle, curvas, redutores de pressão, tomadas de instrumentos . devem ficar suficientemente distantes da turbina. A maioria das turbinas já possuem em sua entrada e saída retificadores da vazão. g) Erosão e desgaste

A erosão provoca a deterioração gradativo no desempenho da turbina e pode até destruir rapidamente os seus internos. O grande desgaste dos mancais aumenta o atrito nos mesmos. A erosão pode afetar o balanceamento da turbina e como afetar o seu fator K. O uso de filtros eficientes conserva e aumenta a vida útil das turbinas, evitando alterações do fator K. 2.10. Características de Projeto

Na escolha da turbina, as seguintes características mecânicas devem ser especificadas: a) Fluidos medidos

Os líquidos ou gases que estão em contato com as partes molhadas, por exemplo, óleo combustível, ácido clorídrico, água, CO2.

b) Configuração e dimensões

Para as turbinas flangeadas, o tamanho nominal da tubulação é o comprimento entre as flanges. Para as turbinas com rosca macho, o tamanho nominal da tubulação é o comprimento total. c) Dimensões de montagem

A não ser que as conexões do processo sirvam como montagem, o desenho esquemático deve indicar o método de montagem, com o tamanho dos furos, centros e outras dimensões pertinentes, incluindo o .tipo de rosca, se usada.

Quando o peso da turbina for muito grande, deve ser considerado o uso de suportes, para garantir o alinhamento dela com a tubulação e para evitar tensões na estrutura.

d) Marcação

As seguintes informações devem ser marcadas permanentemente no corpo da turbina: o nome do fabricante, o modelo, o número de série, a direção da vazão e o tamanho nominal do tubo. e) Dados do processo

A escolha da turbina requer o conhecimento completos dos dados do processo, como os valores mínimo, normal e máximo da vazão, temperatura e pressão do processo.

Para fins de escolha do instrumento receptor, é importante conhecer a tensão de saída da turbina, expressa em volts pico e a frequência na máxima ,vazão de projeto expressa em Hz. 2.11. Dimensionamento

A escolha do tamanho correto da turbina requer o conhecimento da máxima vazão do processo, expressa em LPM para os líquidos e em m3/h reais para os gases. Quando se tem a vazão padrão, deve-se convertê-la na vazão real.

A partir da vazão máxima conhecida, seleciona-se o menor medidor da tabela que tenha a vazão normal máxima maior ou igual a vazão máxima do processo a ser medida. São disponíveis turbinas para a medição de vazões muito baixas.

Quando a turbina é aplicada em serviço contínuo em uma rangeabilidade menor que 10:1, pode-se escolher uma turbina cuja vazão nominal de trabalho esteja próxímã do ponto médio da faixa em vez do ponto máximo da faixa, para aumentar a vida útil dos mancais e suportes.

A turbina é dimensionada pela vazão volumétrica. Cada medidor possui valores típicos de vazões máxima e mínima e raramente estes valores podem ser ultrapassados. Os diâmetros das turbinas variam de 1/2" (l2 mm) a 20" (500 mm).

No dimensionamento da turbina é recomendado que a máxima vazão de trabalho esteja entre 70% e 80% da máxima vazão do medidor. Isto resulta em uma rangeabilidade de 7:1 a 8:1 e há uma reserva de 25% para futura expansão ou para a vazão aumentar. Quando se quer uma rangeabilidade de 10:1, deve-se usar a vazão máxima de operação igual a capacidade máxima da turbina.

Para se ter um ótimo desempenho e alta rangeabilidade, a maioria das turbinas é projetada para uma velocidade nominal de 9 m/s. Esta velocidade é maior que as velocidades convencionais dos projetos de tubulações, típicas de 2 a 3 m/s. Como consequência, se a turbina é selecionada para ter o mesmo diâmetro da tubulação, a rangeabilidade da medição fica muito pequena; aproxímadamente de 2:1 a 3:1. Por isso, o importante no dimensionamento da turbina não é o seu diâmetro nominal mas a vazão volumétrica que ela é capaz de suportar. Assim, na escolha do diâmetro correto da turbina, é aceitável e normal que o diâmetro da turbina seja sempre menor que o da tubulação. Esta regra pode ser usada como detetora de erro: quando o diâmetro da turbina for igual ou maior do que o da tubulação, há erro de cálculo ou de dados da vazão.

Como consequência dos diâmetros diferentes da tubulação e da turbina, é necessário o uso de retificadores de vazão apropriados e adaptadores. Como a turbina possui o diâmetro menor que o da tubulação, usam-se cones de adaptação concêntricos, com ângulo de inclinação de l5o. Deve-se cuidar que a turbina e a tubulação estejam perfeitamente alinhadas e evitar que as gaxetas provoquem protuberâncias na trajetória da vazão.

Outro aspecto que deve ser considerado na escolha do tamanho da turbina é a pressão estática disponível na linha. A turbina produz uma perda de pressão típica de 3 a 5 psi (20,7 a 34,5 kPa) na máxima vazão. A perda de carga é proporcional ao quadrado da vazão, análoga a placa de orifício. Como consequência, se a turbina está operando na capacidade de 50% da máxima, a perda de pressão é 25% da máxima pressão diferencial.

A mínima pressão ocorre em címa do rotor, com uma grande recuperação depois do rotor. Assim, a pressão da linha deve ser suficientemente elevada para evitar que o líquido se vaporize e provoque a cavitação. Para evitar a cavitação, a pressão da linha deve ser no mínimo igual a 2 vezes a pressão diferencial máxima através da turbina mais 1,25 vezes a pressão de vapor do líquido. Quando a pressão a jusante não é suficiente para satisfazer esta exigência, .a solução é usar uma turbina maior, que irá provocar menor perda de carga, mas em detrimento de uma menor rangeabilidade.

Se ocorrer a cavitação, haverá um erro de leitura a mais que a real. A cavitação pode destruir o rotor e os suportes da turbina, por causa de sua alta velocidade.

2.12. Considerações Ambientais

Várias condições ambientais podem afetar a operação da turbina. Os componentes eletrônicos devem ser alojados em caixa a prova de tempo, para eliminar os problemas de umidade.

A temperatura da turbina é principalmente determinada pela temperatura do processo. Porém, a temperatura da bobina de transdução e o conector pode ser influenciada pelo ambiente. As baixas temperaturas geralmente não causam problemas mas as altas temperaturas podem afetar a isolação.

A vibração mecânica encurta a vida útil da turbina e pode provocar erros sistemáticos nos dados obtidos. Os campos magnéticos e as linhas de transmissão .na proximidade da turbina podem introduzir ruídos

espúrios, se o circuito não está adequadamente blindado. A pulsação da vazão pode produzir erros ou estragos na turbina. Deve se cuidar para que as condições de operação estejam dentro dos limites estabelecidos na

especificação do fabricante. 2.13. Instalação da Turbina

A turbina é afetada pela configuração da linha a montante e a jusante. Isto é causado principalmente pelo redemoinho do líquido que flui e por isso a configuração a montante é muito mais influente que a jusante. Tipicamente, a turbina requer trechos retos maiores que os exigidos pela placa de orifício. Quando o fabricante não especifica diferente ou não se tem as regras tratadas nas normas (API 2534, ASME: Fluid Meters - Their Theory and Application), deve se usar trechos retos iguais ao mínimo de 20 D antes e de 5 D depois da turbina. Pode-se usar retificador de vazão antes da turbina e o próprio suporte do rotor age como um retificador de vazão. Raramente é usado, mas é possível que grandes distúrbios depois da turbina requeiram o uso de retificador de vazão a jusante. Deve se evitar que a tubulação exerça pressão e tensão mecânica sobre o corpo da turbina.

A turbina deve ser instalada de conformidade com a seta de direção marcada no seu corpo. É possível se ter turbinas especiais, capazes de medir a vazão nos dois sentidos. Ela necessita de um fator de calibração aplicável nos dois sentidos e um projeto especial das peças internas.

A turbina deve ser instalada na mesma posição em que ela foi calibrada, usualmente na posição horizontal. O líquido medido no pode conter partículas solidas com dimensões máximas maiores do que a metade do espaço entre as extremidades da lâmina e o espaço da caixa. A vida útil da turbina será aumentada com a colocação de um filtro a montante. 2.14. Calibração e Rastreabilidade

Calibrar a turbina é levantar de novo o seu fator K, que representa a correspondência do número de pulsos com a vazão medida. Para se fazer esta calibração deve se conhecer a vazão simulada, com uma precisão superior a da turbina..

A rastreabilidade é a capacidade de demonstrar que determinado medidor de vazão foi calibrado por um laboratório nacional de referência ou foi calibrado em comparação com um padrão secundário referido a uma padrão primário. Por exemplo, nos EUA, o padrão primário é dado pelo National Institute of Standards and Technology (NIST), ex-National Bureau of Standards (NBS).

As bancadas de calibração podem ser de dois tipos: gravimétricas ou com provers. Há ainda bancadas sofisticadas que utilizam um cilindro rigorosamente calibrado para a determinação

exata da vazão. O levantamento do fator K é conseguido através de computadores digitais pessoais. A interface I/0 recebe os sinais do pistão calibrado e da turbina e automaticamente determina o fator K da turbina. Através de programas orientados por menus auto explicativos, pode se levantar e traçar as curvas de calibração, relacionando o fator K com a frequência, com a vazão, com a velocidade e outros parâmetros.

A bancada de calibração deve reproduzir as condições reais da aplicação da turbina, utilizando o mesmo fluido do processo, com a duplicação dos valores da densidade, viscosidade, pressão, temperatura. 2.15. Operação a) Pressão do fluido

Uma pressão mínima a jusante da turbina para qualquer instalação deve ser mantida para evitar uma variação no fator de calibração devido à cavitação. A mínima pressão depois da turbina é função da pressão de vapor do líquido e da presença de gases dissolvidos. A pressão míníma a jusante deve ser medida no ponto de 4 D depois da turbina.

b) Instalação elétrica

Um cabo com dois ou três condutores, blindado, deve ser usado na saída da turbina. A bitola do fio deve ser baseada na atenuação aceitável do sinal. A fiação de sinal deve ser segregada da fiação de potência. A blindagem do cabo deve ser aterrada em apenas um ponto. Normalmente ela é aterrada na extremidade da turbina. O aperto excessivo nas Conexões elétricas pode danificar a bobina de transdução e até o corpo da turbina, dependendo do material. c) Verificação do funcionamento mecânico

O tipo do procedimento de teste depende da aplicação da turbina. O mais compreensivo teste envolve o circuito eletrônico associado e o equipamento de indicação. O teste de verificação do spin do rotor deve ser feito com cuidado, usando um fluido que tenha uma lubricidade compatível com o tipo do suporte usado e que não provoque uma super velocidade no rotor. A turbina medidora de vazão é um instrumento de precisão e pode se danificar se uma mangueira de alta pressão de ar é utilizada para sua limpeza ou para a verificação da rotação do rotor.

Mais medidores de vazão são danificados por excesso de velocidade no rotor durante a partida do que por qualquer outra razão. Para evitar danos no medidor, a vazão de fluido deve ser aumentada gradualmente até o medidor atingir a vazão desejada.

É recomendado que a turbina de vazão seja instalada de forma que ela permaneça cheia de fluido quando a vazão cessa. Quando o medidor de vazão é deixado instalado em uma linha que está temporariamente fora de serviço e tenha sido parcial ou completamente drenada, pode ocorrer severa corrosão dos rolamentos ou dos internos. Se durante estes períodos de parada houver qualquer duvida sobre o nível do fluido na linha e se for economicamente viável e as condições permitirem, a turbina deve ser removida, limpada e guardada. Quando a turbina vai ser guardada ou não utilizada por um longo período, deve ser impregnada em um preservativo anti-corrosão ou óleo de maquina. d) Verificação do sinal induzido

A bobina detetora, o circuito associado e o equipamento de leitura de um sistema podem ser verificados através de um sinal induzido. Uma pequena bobina, ligada a uma fonte de corrente alternada é mantida próxímã a bobina detetora de modo a se notar o efeito de transferência de energia. Este teste verifica o funcionamento do circuito sem desligar qualquer conexão e sem provocar nenhum dano ao circuito. Deve se evitar o teste da bobina detetora por meio de aplicação direta de sinais, pois isso poderia alterar a sua característica ou a sua continuidade. 2.16. Manutenção

A manutenção de uma turbina, a nível de usuário, consiste de uma inspeção periódica para assegurar que as partes internas não sofreram qualquer corrosão ou incrustação pelo fluido medido. Caso alguma peça tenha sido danificada, ela deverá ser substituída, pelo usuário ou pelo fabricante. Quando se trocam os internos da turbina é conveniente que seja levantado o fator K da turbina.

Uma das maiores causas de um desempenho fraco da turbina é o deposito de sujeira sobre os mancais ou suportes. Quando resíduos duros ou gelatinosos estão depositados dentro dos mancais do rotor a liberdade de rotação da unidade será fortemente prejudicada. Portanto é recomendado, sempre que possível, que o medidor tipo turbina seja cuidadosamente lavado com um solvente apropriado, após um determinado tempo de uso. O solvente deve ser quimicamente neutro e altamente volátil de modo que haja completa secagem após a operação de lavagem. Alguns solventes apropriados seriam: álcool etílico, freon, solvente padrão ou tricloro etileno.

Para inspeção e limpeza das partes internas, o conjunto do rotor pode ser retirado da carcaça. O conjunto do suporte do rotor e a carcaça podem ser limpos com solvente ou álcool. 2.17. Testes e Calibrações

Os métodos de calibração aceitáveis para a turbina são do tipo: gravimétrico, volumétrico e de comparação. Cada tipo possui vantagens e desvantagens, dependendo do tipo do fluido e da operação.

Os métodos gravimétricos requerem que a densidade do fluido seja determinada com precisão, desde que ela é a base para a conversa de volume massa. O efeito do gás adicionado ao tanque de peso em calibradores gravimétricos fechados deve também ser considerado. O fator do empuxo para o ar, em calibradores gravimétricos abertos é função da densidade do fluido.

O método volumétrico é mais direto, desde que não haja conversão de massa para volume. O calibrador pode ser do tipo aberto para uso de líquido com baixa pressão de vapor ou do tipo fechado, em que uma pressão a jusante maior do que a atmosférica é mantida para evitar a perda do líquido do vaso por evaporação.

Os métodos de calibração podem ainda ser classificados como estáticos ou dinâmicos. No método estático, a pesagem ou a medição do volume ocorre somente nos intervalos em que o fluido

não está entrando ou saindo do vaso. Este método é muito preciso quando feito em condições apropriadas e deve incluir as verificações estáticas contra as unidades de referência de massa ou volume rastreadas do NIST.

No método dinâmico, a medição do volume ou da massa ocorre enquanto o fluido está entrando ou saindo do vaso de medição. Embora mais conveniente para muitas aplicações, ele pode envolver erros dinâmicos que não podem ser detectados pelas verificações estáticas com as unidades de referência e de massa. Os calibradores dinâmicos devem ser verificados cuidadosa e periodicamente por correlação, para garantir que não há erros dinâmicos significativos.

2.18. Cuidados e Procedimentos a) Tubulação

A tubulação entre a turbina e o vaso de medição deve ser curto, com volume desprezível em relação ao volume medido e projetado para eliminar todo ar, vapor e gradientes de temperatura. Ele deve ser construido para garantir que todo o líquido e somente este líquido passando através da turbina está sendo medido.

b) Válvula de controle de vazão

A válvula de controle de vazão deve ser colocada depois do medidor de vazão para reduzir a possibilidade de ocorrer a vazão com as duas fases (líquido/vapor) dentro da turbina sob teste. Quando isto não é prático, deve-se instalar um regulador da pressão a jusante da turbina, para manter a pressão a montante (back pressure) requerida.

Métodos positivos, se possível visuais, devem garantir que a ação da válvula de fechamento (shutoff) é positiva e que não ocorre vazamento durante o intervalo de calibração.

A capacidade mínima do vazão de medição depende da precisão requerida e da resolução do indicador e da turbina sob teste. c) Fluido

O líquido usado para fazer a calibração deve ser o mesmo do processo cuja vazão será medida pela turbina e as condições de operação devem ser duplicadas. Quando não é possível usar o fluido do processo, deve se usar o fluido substituto com a viscosidade cinemática e a densidade relativa .(gravidade especifica) dentro de 10 % daquelas do fluido de operação. A lubricidade de um líquido não pode ser bem definida como a densidade e a viscosidade, mas este parâmetro também deve ser considerado.

Deve se usar filtro antes da turbina, para protege-la contra sujeira e má operação. O grau de filtragem depende do tamanho do medidor. d) Posição

A turbina deve ser instalada como indicada pela flecha de direção marcada no seu invólucro. A turbina normalmente é calibrada na posição horizontal com o elemento de transdução vertical e na

parte superior. Quando a instalação de serviço é diferente da horizontal, a inclinação pode causar uma variação no fator de calibração, por causa do desequilíbrio axial. A orientação do elemento de transdução também pode causar um erro devido a .relação das forças de arraste magnético e da gravidade. e) Procedimentos do teste

Os resultados obtidos durante a calibração devem ser registrados em uma folha de dados. A turbina deve funcionar por um período mínimo de cinco minutos em uma vazão razoável antes da

calibração. Durante o período de funcionamento, o pico da tensão de saída deve ser medido e registrado nas vazões

mínima e máxima. O formato da onda do sinal de saída também deve ser observado num osciloscópio para verificar o mau funcionamento da turbina.

O número de pontos de calibração não deve ser menor que cinco e deve incluir as vazões mínima e a máxima especificadas pelo fabricante. O número de vazões em cada ponto de calibração deve ser, no mínimo, igual a dois, com a vazão subindo e descendo. O fator K, a linearidade e a faixa linear são determinadas destes dados.

A pressão absoluta a justante deve ser medida no ponto de 4D depois da extremidade da turbina. No mínimo ela deve ser igual a soma da pressão de vapor do líquido na temperatura de operação mais três vezes a queda de pressão através da turbina.

A temperatura do líquido de calibração na turbina deve ser medida no ponto 4D depois da turbina. Quando se instala o sensor de temperatura a montante da turbina, ele deve ser montado no ponto de I D antes do retificador de vazão suplementar. Em todas as instalações, o sensor de temperatura deve estar imerso em uma profundidade suficiente para minimizar os erros de condução térmica.

Os métodos gravimétricos requerem um base exata de conversão de massa para volume. A densidade do líquido, à temperatura e pressão do medidor, deve ser determinada com uma incerteza de ± 0,05 % ou menor. O efeito da empuxo do ar deve ser considerado. 2.19. Aplicações

Devido à sua característica de excelente desempenho, a turbina é largamente usada para aplicações de altíssímã precisão, para a transferência comercial de produtos valiosos, como óleo cru, hidrocarbonetos refinados e gases. As turbinas são muito utilizadas em aviação, para a medição da vazão de combustíveis.

As turbinas proporcionam medidas extremamente precisas de líquidos e gases bem comportados. A variedade das configurações tomam este medidor muito versátil. A sua saída de pulsos é conveniente para a totalização direta da vazão. A relação linear entre a frequência e a vazão resulta em grande rangeabilidade, típica de 10.1, podendo ser aumentada, através da calibração, para até 100:1.

A turbina pode ser usada como referência secundaria padrão para a determinação e aferição do fator K de outros medidores de vazão. O desempenho da turbina, de boa qualidade, devidamente calibrada e em aplicações corretas, é provavelmente o mais preciso que qualquer outro tipo de medidor de vazão.

IV - MEDIDOR MAGNÉTICO DE VAZÃO

Fig. 1. Tubo medidor magnético de vazão

1. Introdução

O sistema de medição consiste de um tubo não-magnético e não-condutor elétrico com duas bobinas eletromagnéticas posicionadas diametralmente. Quando fluido condutor elétrico passa no interior do tubo e perpendicular as linhas de forças magnéticas, induz uma força eletromotriz proporcional a sua velocidade. Esta milivoltagem é detetada por dois eletrodos montados diametralmente no tubo.

Fig. 2. Princípio do medidor magnético de vazão

As bobinas eletromagnéticas são energizadas por tensão alternada senoidal ou por um trem de pulsos,

chamado de tensão continua pulsada. 2. Relações Matemáticas

A medição magnética da vazão se baseia na lei de Faraday da indução eletromagnética. Quando um líquido com uma condutividade elétrica acímã da mínima flui através de um tubo com revestimento interno isolante d, colocado em um campo magnético de densidade de fluxo B, aparece uma voltagem induzida nos eletrodos montados perpendicularmente em ambos os lados do tubo. A relação matemática é:

e = KBdv onde :

e é a voltagem induzida no condutor; K é uma constante que depende das dimensões; d é o diâmetro do tubo; v é a velocidade do fluido condutor;

B é o campo magnético.

Fig. 3. Corte de um medidor magnético de vazão

O tubo deve ter um revestimento isolante para evitar o curto circuito da tensão induzida e o tubo deve ser

de material não ferromagnético para permitir que o campo magnético penetre no líquido. Assumindo um campo magnético constante e para uma dada geometria, tem-se a relação simplificada

entre a tensão induzida e captada pelos eletrodos e a vazão volumétrica que passa no interior do tubo: e=KQ

A tensão induzida é mutuamente perpendicular à velocidade do condutor e às linhas de força do campo magnético.

O campo magnético alternado possui a mesma frequência da tensão de alimentação. A tensão gerada pelo fluido móvel e captada pelos eletrodos é alternada e possui a mesma frequência da tensão de alimentação.

Na realidade, a velocidade do fluido não é a mesma em todos os pontos através do tubo, mas varia perfil com as condições da vazão laminar ou turbulenta. O tubo medidor, porém, gera uma tensão que é proporcional a velocidade media perfil da vazão do fluido. Isto é consequência do fato de cada elemento do fluido no plano dos eletrodos desenvolver um elemento de tensão que é proporcional a velocidade instantânea. Esta tensão também representa a vazão volumétrica desde que o tubo esteja totalmente cheio do fluido, durante todo o tempo da medição.

Na consideração anterior, foi assumido que o campo magnético é constante. Isto nem sempre é verdade, porque ele é também função da tensão e da frequência de alimentação. O efeito das eventuais variações da tensão e da frequência deve ser anulada e compensado pelo circuito eletrônico do transmissor eletrônico de vazão, que converte a tensão alternada gerada no sinal padrão de corrente, de 4 a 20 mAcc. 3. Conceito

O conceito de medidor magnético de vazão é dado por ISO 6817 (l980): "medidor de vazão eletromagnético é um conjunto de um dispositivo primário (tubo), através do qual a vazão flui e um dispositivo secundário (transmissor eletrônico de vazão) que converte o sinal de baixo nível gerado pelo dispositivo, primário em um sinal padronizado, conveniente e aceito pela instrumentação industrial".

O sistema produz um sinal de saída proporcional linearmente a vazão volumétrica do fluido. Sua aplicação é limitada apenas pela exigência que o fluido seja condutor elétrico e não-magnético. O medidor magnético é particularmente aplicável para fluidos mal comportados corrosivos, abrasivos, sujos e com sólidos em suspensão.

O sistema é constituído do : 1. elemento primário; 2. transmissor; 3. cabo de ligação. 4. Elemento Primário

O elemento primário é constituído dos seguintes componentes: 1. tubo medidor; 2. bobinas de excitação; 3. eletrodos; 4. caixa de ligações elétricas;

5. conexões de processo flangeadas. 4.1. Tubo

O material do tubo magnético é não-ferromagnético para permitir a penetração do campo eletromagnético; p.ex., aço inox 304, fibra de vidro. A superfície interna possui um revestimento interno isolante elétrico para evitar o curto circuito da tensão, p. ex., teflon poliuretano e cerâmica. O fluido passa no interior do tubo e fica em contato direto com o seu revestimento e portanto a escolha do material do revestimento deve ser compatível, sob o ponto de vista de corrosão, com o tipo do fluido do processo. A velocidade do fluido é outro parâmetro importante, pois pode provocar erosão no revestimento.

Fig. 4. Tubo medidor

4.2. Bobinas

As duas bobinas de excitação, colocadas externamente ao tubo e opostas entre si, para gerar o campo magnético. Geralmente as bobinas são enroladas com fio de cobre isolado por esmalte em um núcleo de ferro laminado, para concentrar as linhas de força do campo magnético, focalizando o campo na direção perpendicular ao fluido.

A potência típica de consumo está entre 10 W a 100 W. Quando a excitação é senoidal, há o perigo de haver a indução do sinal tipo transformador, pela variação do fluxo magnético ligando a a combinação dos fios dos eletrodos e o fluido. Esta tensão induzida é chamada de tensão de quadratura. Esta tensão parasita é proporcional ao fluxo magnético, área transversal do tubo e a excitação. O projeto do tubo e o circuito do transmissor devem eliminar esta tensão. 4.3. Eletrodos

Os dois eletrodos atravessam o revestimento isolante para fazer contato com o fluido e tangenciam a superfície interna do tubo. Eles são colocados perpendicularmente ao plano das bobinas para detetar a força eletromotriz induzida pelo fluido condutor que se move no campo eletromagnético.

Deve haver o revestimento isolante justamente para evitar que a tensão induzida captada pelos eletrodos entre em curto circuito. Os eletrodos são disponíveis em vários materiais: aço inoxidável não magnético, para fluidos não agressivos e tantalo, tungstênio, monel, Hastelloy, platina, titânio e zircônio para fluidos agressivos.

Embora a superfície de contato dos eletrodos com o fluido do processo seja pequena, o material dos eletrodos deve ser compatível com o fluido de modo que não haja corrosão química. A cabeça dos eletrodos tem um formato especial para se conformar com a superfície interna da tubulação. Na outra extremidade estão as conexões elétricas. 4.4. Caixa de ligação

As bobinas devem estar contidas em uma caixa, com duas tampas protetoras, provendo uma classe de proteção mecânica para uso externo e a prova de tempo (NEMA 4 ou IEC IP 65) e opcionalmente resistente a corrosão, resistente a submersão.

A caixa possui duas conexões elétricas separadas, uma para a alimentação das bobinas e outra para o sinal de saída do tubo medidor.

A tensão de alimentação pode ser de 120 ou 240 V, 50 ou 60 Hz. A tensão induzida é da ordem de mV.

Fig. 5. Tubos flangeados

Os tubos magnéticos podem ser usados em local perigoso de Divisão 2 e a classe de temperatura do

transmissor pode ser T3 (até 180 oC). 4.5. Conexões com o Processo

O tubo magnético possui as conexões do processo nas suas extremidades, através de flanges com face ressaltada, Classes ANSI 150 ou 300 e DIN PN 10, 6, 25 e 40. 5.Elemento Secundário

O elemento secundário é o transmissor eletrônico de vazão, incorretamente conhecido como conversar. O transmissor eletrônico de vazão associado ao tubo magnético medidor de vazão recebe o sinal gerado pelo tubo e o converte em um sinal padrão de transmissão de corrente, típico de 4 a 20 mAcc, conveniente para o controle e o registro. Opcionalmente, ele pode ter também saída de pulsos, conveniente para a totalização da vazão.

Fig. 6. Tubo e transmissor, transmissor isolado (Foxboro)

O transmissor pode ser montado diretamente no tubo magnético ou afastado dele. Como o sinal gerado pelo tubo e manipulado pelo transmissor é alternado e de baixo nível (poucos

milivolts) ele deve ser rigorosamente blindado contra interferências internas e externas. Há blindagem até no circuito impresso.

A tensão gerada é função da velocidade do fluido e é independente da temperatura, pressão, densidade, viscosidade, turbulência e condutividade do líquido (desde que ela seja maior que um limite mínimo especificado pelo fabricante do sistema).

A impedância de entrada dos amplificadores do sinal deve ser muito elevado e muito maior que a resistência entre os eletrodos e o fluido de pequena condutividade, que é também muito elevada.

A ação galvânica provavelmente induz uma tensão parasita, atrapalhando o sinal de saída. O campo magnético constante não é desejável, pois provoca a polarização dos eletrodos. Usa-se, então, um campo magnético alternado para evitar tal polarização. Com campo magnético de alta frequência a amplificação apresenta menores problemas. Mas a indução assimétrica e a capacitiva nos terminais dos eletrodos introduz pequenos erros na medição. Quando os fios terminais formam uma malha fechada no campo, a ação do transformador induz uma

parasita nesta malha. Se o plano desta malha é paralelo as linhas de força, este efeito pode ser evitado. As tensões em fase adequada e em amplitude conveniente podem ser combinadas para neutralizar os efeitos parasitas.

As providências para eliminar os efeitos da variação da amplitude e da frequência da tensão, o demodulador com o sinal de referência para eliminar os problemas da quadratura das tensões e fase dos sinais, os detalhes para eliminar os erros parasitas tornam o circuito eletrônico do transmissor muito complexo. 6. Conector Tubo-Transmissor

Como o sinal gerado pelo tubo magnético e recebido pelo transmissor eletrônico é alternado ou contínuo pulsado, ele deve ser rigorosamente blindado, pois seria eletricamente impossível separar o sinal alternado do ruído alternado mais comum. O cabo utilizado possui várias camadas de blindagem. Cada fio individual é blindado, o par é blindado em conjunto, por duas vezes. 7. Instrumento Receptor

Como em todo sistema de medição de vazão, é possível se ter diferentes instrumentos para receber e condicionar o sinal gerado pelo transmissor eletrônico. Assim, pode se associar o sistema de medição magnética de vazão com totalizador, indicador local ou remoto, registrador, controlador, alarme e chave de vazão.

Para fins de totalização, é conveniente que o sinal seja digital, em pulsos. A transformação do sinal de 4 a 20 mAcc em pulsos pode ser feita no transmissor eletrônico. Opcionalmente, o transmissor eletrônico associado ao tubo magnético pode ter uma saída em pulsos, linearmente proporcional a vazão e adequado para a totalização. Obviamente, pode se ter esta conversão analógica/digital no instrumento totalizador de vazão. 8. Classificação dos Medidores

Os medidores magnéticos podem ser classificados sob vários parâmetros, tais como o líquido a ser medido, o tipo de indução e a forma de onda tensão de excitação. 8.1. Líquido Medido a) Eletrólito

A corrente elétrica é o movimento de cargas elétricas, geralmente de elétrons em condutores metálicos ou de ions em soluções eletrolíticas.

O tipo mais comum de medidor magnético de vazão opera com líquidos que são eletrólitos. A condução eletrolitica é devida ao movimento dos íons no líquido. Sob condições normais, há a dissociação na solução aquosa e os íons resultantes se movem aleatoriamente dentro do fluido até que seja aplicada uma força eletromotriz . Os íons então migram para os eletrodos, de conformidade com sua carga e ocorre a combinação química resultando em uma corrente elétrica. Entretanto a combinação química pode resultar no desprendimento de gás nos eletrodos. Esta camada gasosa isola parcialmente os eletrodos do líquido e causa uma variação da resistência aparente entre os eletrodos. Este processo, conhecido como a polarização dos eletrólitos, pode ser grandemente reduzido pelo uso da tensão alternada através do eletrólito. Este é o motivo do uso da tensão alternada para excitar as bobinas do campo.

b) Condutor elétrico

O metal líquido conduz a eletricidade, como o metal sólido de modo que os problemas associados com a

polarização do eletrólito não existem e neste caso pode se usar um campo magnético permanente. A condutividade dos metais líquidos é muitíssimo maior (10) que a dos eletrólitos e portanto a corrente induzida é muito maior e difícil a sua manipulação e medição. Para este medidor, o campo magnético é muito menor. c) Dielétrico

Embora pouco conhecido, um meio isolante também gera uma tensão quando se movimenta em um campo magnético. O problema é a medição desta pequena tensão induzida com altíssima impedância de entrada. O efeito do movimento de um dielétrico em um campo magnético é o alinhamento dos dipolos elétricos e este efeito é conhecido como a polarização do dielétrico (diferente da polarização do eletrólito).

8.2. Indução

Os medidores magnéticos podem ser de dois tipos: de tensão induzida e de campo magnético induzido. A maioria dos medidores magnéticos industriais é do tipo de tensão induzida, onde o numero Rem é zero.

Os medidores com campo magnético induzido devem ter Rem (número de Reynolds magnético) diferente de zero. 8.3. Formas da Tensão Induzida

Atualmente há duas tecnologias diferentes relacionadas com a tensão de alimentação e excitação das bobinas: por corrente alternada senoidal e por corrente contínua pulsada. a) Excitação senoidal

Historicamente, a primeira tecnologia empregada usa uma tensão alternada senoidal para excitar as bobinas. As vantagens da excitação senoidal são a maior homogeneidade e a melhor estabilidade do campo eletromagnético criado. A grande desvantagem é o problema da quadratura que aparece, provocando o desvio do zero.

A tensão induzida está 90 graus defasada da tensão de alimentação, pois o circuito é puramente indutivo. A amplitude da quadratura não é constante, sendo afetada pela sujeira depositada nos eletrodos, que muda a impedância de entrada do sinal. O zero dos medidores com alimentação alternada é estabilizado por um circuito de rejeição da quadratura, integralizado ao circuito do transmissor eletrônico. b) Excitação com corrente contínua pulsada

A tensão de excitação das bobinas deve ser variável com o tempo, para que não haja polarização nos eletrodos. Além da excitação senoidal clássica, atualmente se emprega a excitação de corrente continua pulsada.

A tensão de excitação é um trem de pulsos. E a tensão induzida é também um trem de pulsos, cuja amplitude diferencial é proporcional a vazão. Além de ciclar a tensão em "liga" e "desliga" em uma frequência menor (2 a 30 Hz) que a senoidal (50 a 60 Hz), o medidor com cc pulsada faz a média no tempo das diferenças entre os sinais induzidos no "liga" "desliga" . O sinal " desligado" representa o ruído da linha e o sinal "ligado" representa o sinal induzido mais o ruído. Deste modo é possível se fazer o zero do instrumento cíclica e automaticamente. E é eliminado, de modo simples, o problema de quadratura.

O medidor com cc pulsada é menor e cerca de 35% mais barato que o medidor com ca senoidal. Ele também consome menos energia, sua instalação e sua fiação de campo são mais simples. Porém, a resposta do medidor com ca senoidal é mais rápida e seu desempenho é superior quando manipula fluidos sujos.

Partículas duras no fluido podem criar um ruído de baixa frequência no sinal de vazão, devido a raspagem dos eletrodos e reações eletroquímicas na superfície dos eletrodos. Este ruído de baixa frequência, que afeta a estabilidade do medidor tipo cc pulsada é efetivamente eliminado do tipo ca senoidal por causa de sua maior relação sinal/ruído. Para resolver o problema de fluidos sujos, os fabricantes do tipo cc pulsada introduziram recentemente um circuito avançado de redução de ruído e modificaram os esquemas de excitação das bobinas. 9. Características e Aplicações

O medidor magnético de vazão é tradicionalmente primeiro a ser considerado em aplicações onde se tem problemas de corrosão e manipulação de líquidos com sólidos em suspensão. É certamente o medidor mais usado em indústria de celulose e papel e mineração. Ele é conveniente para medir fluidos não newtonianos. Eles possuem tamanhos de diâmetros entre 3 mm até 3 m.

Na seleção de um medidor magnético de vazão devem ser considerados os parâmetros de: 1. custo; 2. instalação; 3. fluido medido; 4. desempenho do medidor; 5. desvio de zero. 9. 1. Custo

O sistema de medição magnética de vazão é considerado relativamente caro e por isso só se justificaria seu uso para medição de fluidos difíceis: sujos, abrasivos, corrosivos, viscosos e ascéticos. Porém, mesmo que o custo inicial do sistema de medição magnética de vazão seja elevado, os custos posteriores de instalação inicial, de

consumo de energia e de manutenção são baixos. Como o tubo não possui peças moveis, praticamente não requer manutenção e nem há necessidade de estoque de peças de reposição. A perda de carga praticamente nula também representa economia de bombeamento e compressão. 9.2. Instalação

O tubo medidor magnético opera em qualquer posição, horizontal, vertical ou inclinada. A instalação do elemento primário deve garantir que o tubo esteja sempre cheio. Os eletrodos devem ser montados em um plano horizontal, para evitar que haja circuito aberto causado por bolhas de ar no topo do tubo.

A continuidade entre o fluido condutor e o tubo metálico é necessária, para prover uma referência para o sinal de medição. Deve se aterrar o tubo medidor a tubulação metálica local ou ao líquido, se a tubulação for não-condutora.

O sistema magnético é provavelmente o medidor que requer os menores trechos a montante e a jusante. Mesmo assim ele requer trechos retos; Foxboro sugere 5D a montante e 3D a jusante do medidor. 9.3. Fluido

O tubo não apresenta nenhuma obstrução ao fluido e por isso a queda de pressão é igual à da tubulação do mesmo diâmetro e mesmo comprimento. Sua robustez é equivalente à da tubulação. O sistema pode medir vazões nos dois sentidos, pois o tubo é simétrico.

O tubo mede fluidos difíceis e críticos: corrosivos, viscosos, sujos, abrasivos, com sólidos em suspensão,

newtoniano e não-newtoniano. O fluido do processo deve ser não-magnético e possuir uma condutividade mínima suficiente para

garantir uma resistência de saída do elemento primário de duas ou mais vezes menor que a resistência de entrada do elemento secundário. A resistência de saída do elemento primário é dada aproxímãdamente por:

R≈ 1

dσ

onde

d = é o diâmetro do eletrodo; µ = é a condutividade.

A operação do medidor não é afetada pela variação da condutividade do líquido, desde que ela seja uniforme na região do medidor. As eventuais bolhas de ar podem causar erros se elas causam variações efetivas da condutividade local ou se elas resultam em seção do tubo parcialmente cheia.

Normalmente, se medem Fluidos não-magnéticos, com a condutívidade mínima de 1,0 µS/cm. Com cuidados especiais pode se medir vazão de fluido com mínimo de 0,1 µS/cm. Esta faixa cobre desde água destilada até metais líquidos. Por exemplo, a condutividade da água destilada pura é de 0,04 µS/cm. A maioria dos produtos químicos hidrocarbonatos, gases e vapor não é compatível com o medidor magnético de vazão. A maioria das soluções aquosas condutores elétricas, limpas ou sujas, com sólidos em suspensão, pode ser medida.

Não há numero de Reynolds mínimo nem limites de viscosidade. Há limites para as velocidades do fluido. A velocidade muito elevada pode provocar erosão no revestimento. Hoje há aplicações com tubo revestido de cerâmica, apropriado para suportar velocidade mais elevada.

Pode se verificar se está havendo desgaste no revestimento observando a trilha de cor diferente que fica na parede interior do tubo, na altura dos eletrodos metálicos.

A vazão com velocidade muito baixa também é limitante, pois pode haver deposição de material nos eletrodos. Para evitar tal problemas é disponível o limpador ultra-sônico dos eletrodos.

O sistema é flexível, pois são disponíveis vários tipos de materiais de revestimento e de eletrodos, pode se escolher a melhor combinação, para atender as exigências de corrosão química e erosão física.

O medidor de vazão não é afetado pelas alterações da temperatura e pressão, porém, sempre há limites específicos de temperatura e pressão por causa da construção do medidor e principalmente por causa do revestimento do tubo.

9.4. Desempenho do Sistema Medidor

O sistema apresenta alta sensibilidade, precisão e estabilidade. A precisão do sistema medidor pode ser melhorada quando se determina o fator do par casado: tubo medidor e transmissor eletrônico. Os tubos e os transmissores podem ser usados indistintamente, sem preocupação com o diâmetro do tubo e o fluido do processo.

A calibração do sistema praticamente não é afetada pela variação da condutividade, densidade, turbulência e viscosidade do fluido. O período de verificação do fator do tubo (relação entre a milivoltagem e a vazão) é longo, pois o sistema é estável e praticamente não há alteração dos parâmetros que estão embutidos na constante do medidor. 9.5. Desvio do Zero

Na maioria dos medidores com excitação senoidal, o zero deve ser ajustado. Nos medidores com excitação continua pulsada o ajuste do zero é feito automaticamente pois há um nível zero de referência. O ajuste do zero é feito com o tubo cheio do fluido condutor e com a vazão zero (velocidade zero).

As causas do desvio do zero ainda não são totalmente entendidas e identificadas. A primeira causa é a existência da polarização eletrolitica no fluido, fazendo o fluido exibir uma

característica capacitiva e resistiva. Assim, variação na característica eletrolitica do fluido muda o ângulo de fase dos sinais de quadratura. Quando se diminui este sinal de quadratura das tensões, permanece um pequeno efeito que é atribuído ao desvio do zero.

Outro efeito pode ser devido as correntes parasitas induzidas no tubo de aço inoxidável pelo campo magnético. Qualquer alteração no perfil destas correntes, por exemplo, devida à variação de temperatura, pode alterar a amplitude do campo induzido pelas correntes. Por este motivo, os fabricantes devem cuidar que os tubos, principalmente os de maior diâmetro, tenham simetria dos pontos de solda.

Os outros efeitos podem ser devidos a malha dos fios dos eletrodos e os efeitos capacitivos parasitas da fiação. 10. Vantagens e limitações

a)Vantagens

O medidor magnético de vazão é quase o medidor universal. Os seus méritos são: 1. O tubo medidor é totalmente sem obstrução e não possui peças moveis. A perda de pressão permanente através

do cabo medidor é igual à perda de um pedaço de tubulação de mesmo comprimento. Os custos de bombeamento são baixos por causa da pequena perda de carga;

2. O consumo de energia é muito baixo, principalmente quando a excitação é por voltagem contínua pulsada. O consumo típico é de 15 a 20 watts;

3. O medidor pode manipular Fluidos mal comportados, como ácidos, bases, águas e soluções aquosas, por causa da boa resistência à corrosão e erosão apresentada pelos diversos tipos de revestimento, como teflon, cerâmica e plásticos especiais e pelos diversos materiais dos minúsculos eletrodos, como aço inoxidável, Monel, titânio, Hastelloys, platina e tântalo;

4. O medidor pode ser usado em aplicações com Fluidos sujos e com sólidos em suspensão, por causa de não ter obstrução e da alta resistência física dos revestimentos;

5. O medidor pode medir vazão muito pequenas e muito elevadas, sendo comercialmente disponíveis com diâmetros entre 3 mm e 3 m;

6. O medidor pode medir vazão nas duas direções. b) Desvantagens

Como nada é perfeito, o medidor magnético de vazão possui limitações específicas de uso: 1. O medidor só funciona com fluidos que tenham uma condutividade elétrica mínima, típica de 1 µS/cm. Ele não

mede algumas substâncias puras, incluindo hidrocarbonos e não mede gases; 2. O medidor é relativamente pesado; 3. A instalação elétrica deve ser bem cuidada, principalmente o aterramento; 4. O custo do sistema total varia de moderado para caro, sendo justificado seu uso quando se tem problemas de

fluido; 5. O medidor precisa estar sempre cheio, mesmo quando não há vazão, para não gerar voltagens espúrias e deve ter

o ajuste de zero periódico.

11. Conclusão

O desenvolvimento dos medidores magnéticos de vazão é cíclico. Periodicamente, novos projetos relacionados com a tecnologia de excitação (senoidal ou continua pulsada), com os materiais de revestimento (cerâmica), com a deteção da tensão ou do campo induzido, com a posição das bobinas de excitação (internas ao tubo) e dos eletrodos (sem contato com o fluido) são lançados comercialmente. Os objetivos das inovação são a melhoria da estabilidade do zero, a facilidade da calibração, a melhoria da repetibilidade e linearidade da medição, a insensibilidade as variações na composição do fluido.

A maioria das aplicações estão dirigidas para a medição de soluções aquosas condutores em tubulações circulares. Novas pesquisas e desenvolvimento são feitas com a medição de metais líquidos e com fluidos não condutores (dielétricos).

V - MEDIDOR DE VAZÃO DESLOCAMENTO POSITIVO

Fig. 1. Medidor de vazão de deslocamento positivo

1. Introdução

O medidor de vazão com deslocamento positivo retira a energia do fluido para seu funcionamento. Os medidores podem medir líquidos e gases. Eles podem ser construidos com pistão rotativo, com pistão reciprocante, com disco nutante, com lâminas rotatórias e com engrenagens ovais. Qualquer que seja a construção, todos funcionam sob o mesmo princípio simples de deslocar volumes discretos e conhecidos do fluido, da entrada para a saída do instrumento e contar tais volumes. 2. Princípio de Funcionamento

O princípio de Arquimedes estabelece que qualquer objeto submerso em um fluido desloca o seu volume de fluido. Se o volume deslocado é mais pesado, o objeto flutua no fluido; se o volume deslocada é mais leve, o objeto afunda no fluido. Por exemplo, o balão com ar aquecido flutua porque ele desloca um volume de ar frio que pesa mais que o peso do balão. A pedra afunda na água por que ela desloca um volume de água que pesa menos que o peso da pedra.

Na medição de vazão por deslocamento positivo aplica-se o vice-versa do princípio de Arquimedes: um volume discreto de fluido desloca ou move um corpo solido.

A característica básica do medidor de vazão a deslocamento positivo é a passagem do fluido através do elemento primário em quantidades discretas. Desde que se conheça o volume de cada quantidade e se conte o número das quantidades isoladas, obtém-se o volume total.

O medidor a deslocamento positivo divide a vazão de líquidos em volumes separados conhecidos, baseados nas dimensões físicas do medidor, conta-os ou totaliza-os. Eles são medidores mecânicos em que uma ou mais peça móvel, localizada no jato da vazão, separa fisicamente o líquido em incrementos. A energia para acionar estas peças é extraída do fluido do processo sob medição e apresenta uma queda de pressão entre a entrada e a saída do medidor. A precisão geral do medidor depende dos pequenos espaçamentos entre as partes moveis e fixas e dos comprimentos destas extensões de vazamento. Assim, a precisão tende a aumentar, quando o tamanho do medidor aumenta.

Fig. 2. Princípio do medidor de vazão a deslocamento positivo 3. Características e Aplicações

Enquanto a maioria dos medidores de vazão mede a velocidade do fluido e infere a vazão volumétrica desta velocidade, o medidor a deslocamento positivo não mede a vazão instantânea, mas totaliza diretamente o volume, embora alguns também forneçam uma saída analógica proporcional a vazão. Os medidores de vazão de deslocamento positivo são considerados geradores de pulso, porque cada volume discreto de fluido é representado por um pulso ou uma unidade contável. A soma dos pulsos resulta na quantidade total da vazão.

O medidor de deslocamento positivo pode ser considerado um tipo de motor fluido. A pressão diferencial entre o medidor é a força acionante que opera com alta eficiência volumétrica sob uma pequena carga. Esta carga é provocada por dois motivos: um devido ao atrito no elemento de medição e no mecanismo de indicação ou registro, a outra devido a perda de pressão resultante da restrição da vazão. O trabalho feito pelo "motor" contra estas cargas resulta em perda de carga permanente irrecuperável.

Como os medidores de gás medem o volume nas unidades reais, referidas as condições do processo, devem ser feitas correções continuamente na temperatura e na pressão. A precisão varia tipicamente de ± 0,5 a ± l% da vazão medida. A rangeabilidade pode variar entre 20:1 a 50:1, dependendo do projeto. A precisão e a repetibilidade são convenientes para aplicações de transferências comerciais, de bateladas e de mistura. O perfil existente da velocidade no fluido não afeta o desempenho, de modo que o medidor pode ser colocado praticamente em qualquer parte da tubulação do sistema.

Normalmente, todos os medidores de vazão com deslocamento positivo são calibrados para garantir um alto grau de precisão. A precisão depende do tamanho do medidor, do tipo de serviço, das exigências contratuais legais. O medidor da bomba de gasolina deve ter a precisão de ±1 % para instalações novas. Na prática o erro é de ± 2 %. Com cuidado e calibração pode se ter a precisão de ± 0,5 % do valor medido.

Não há peças moveis especificas que requeiram manutenção regular e substituição. Porem, o fluido deve ser limpo e definitivamente não pode conter partículas abrasivas. Os líquidos devem ter propriedades lubrificantes. O vapor entranhado no líquido ou a cavitação pode provocar super velocidade e eventualmente pode danificar o medidor.

Quando estes medidores são volumosos, devem ser usados fundações ou suportes, similares aqueles usados em bombas. O custo relativamente elevado do ,equipamento e de sua operação pode ser plenamente justificado pela excepcional precisão, pela capacidade de medir baixas vazões, pela repetibilidade e pela rangeabilidade.

O medidor a deslocamento positivo com bom desempenho deve manter a isolação das quantidades, obtida através de dois tipos de selagem: a positiva e a capilar. A selagem positiva pode usar um seio flexível

(p. ex., água) ou um selo mecânico. Em qualquer caso, o selo deve evitar vazamentos do fluido para e da câmara de isoiação. A selagem capilar prove um selo através da tensão superficial de um filme ou fluido entre duas superfícies que não estão em contato físico de uma câmara de isoiação.

Como o fluido deve fazer uma selagem, o medidor a deslocamento positivo de líquido é sensível a variação da viscosidade. Abaixo de uma "viscosidade limite", tipicamente de cerca de 100 centistoke, o medidor deve ser calibrado para o fluido especifico. As viscosidades acímã do limite não afetam o desempenho da medição. Realmente, quanto maior a viscosidade, melhor é o desempenho, embora a alta viscosidade aumente a queda de pressão, porque as peças moveis consomem mais energia para deslocar o fluido.

Como a alta queda de pressão apressa o desgaste, a maioria dos fabricantes especifica uma queda máxima de pressão permissível e especifica a capacidade com a viscosidade crescente. Com fluidos muito viscoso, rotores com maiores folgas permitem maiores vazões.

Os erros na medição são devidos principalmente aos vazamentos do fluido não medidos da entrada para a saída do medidor. O termo usado para expressar o vazamento em medidores de vazão com deslocamento positivo é o deslizamento (slip). 4. Tipos de Medidores

Os medidores a deslocamento positivo se baseiam em diferentes mecanismos acionadores do fluido, tais como: disco nutante, engrenagens ovais, pistão rotatório, pistão reciprocante, rotor espiral, lâmina rotatória. 4.1. Disco Nutante

O medidor a deslocamento positivo com disco nutante, conhecido como medidor de disco, é usado extensivamente para o serviço de medição de água residenciai. O conjunto móvel, que separa o fluido em incrementos, consiste de disco + esfera + pino axial. Estas peças se fixam numa câmara e a dividem em quatro volumes, dois acima do disco na entrada e dois debaixo do disco na saída. Quando o líquido tenta fluir através do

medidor, a queda de pressão da entrada para a saída faz o disco flutuar e para cada ciclo de flutuação, indicar um volume igual ao volume da medidora, menos o volume do conjuntos do disco. A extremidade do pino axial, que move em um círculo, aciona uma cam que está ligada a um trem de engrenagens e registra o total da vazão. Este medidor possui imprecisão de ± l a ± 2 % do fundo de escala. É construido para pequenos tamanhos e sua capacidade máxima é de 150 GPM (570 lpm). 4.2. Lâmina Rotatória

Este medidor de vazão possui lâminas tencionadas por molas, que selam os incrementos do líquido entre o rotor excentricamente montado e a caixa, transportando o líquido da entrada para a saída, onde ele é descarregado devido ao volume que diminuir. Este medidor é o mais usado na indústria de petróleo, aplicado para medir gasolina, óleo diesel, querosene com faixas de alguns GPM de líquidos de baixa viscosidade até 175.000 GPM (66,5 lpm) de fluidos viscosos. A imprecisão é de ± 0,1 %; alguns medidores apresentam imprecisão de ± 0,05% do fundo de escala. Os materiais de construção são variados e podem ser usados em altas temperaturas e pressões, como 180 oC e 1000 psig (7 MPa).

Fig. 3. Medidor com lâminas rotatórias

4.3. Pistão Oscilatório

A porção móvel deste medidor consiste de um cilindro que oscila em torno de uma ponte dividida que separa a entrada da saída. Quando o cilindro oscila em torno da ponte, o pino faz uma rotação por ciclo. Esta rotação é transmitida a um trem de engrenagens e registra diretamente ou magneticamente através de um diafragma. Este medidor, usado em medição da água domestica, tem a capacidade de manipular líquidos limpos viscosos e corrosivos. A imprecisão é da ordem de ± l% do fundo de escala. É usado em pequenos diâmetros, para medir baixas vazões. O custo depende do tamanho e dos materiais de construção. 4.4. Pistão Reciprocante

O mais antigo dos medidores a deslocamento positivo, este medidor é disponível em várias, formas: com vários pistões, com pistão de dupla ação, com válvulas rotatórias, com válvulas deslizantes horizontais.

Um braço atuado pelo movimento reciprocante dos pistões aciona o registro. Estes medidores são largamente usados na indústria de petróleo, com uma precisão de ± 0,2% do fundo de escala. 4.5. Lóbulo Rotativo

Neste medidor, dois lóbulos são acoplados juntos para manter uma posição relativa fixa e giram em direções opostas dentro do invólucro. Um volume fixo de líquido é deslocado por cada revolução. Um registro é engrenado a um dos lóbulos.

Uma variação deste medidor usa rotores com engrenagens ovais no lugar dos rotores em forma de lóbulo. Em baixas vazões (0,8 a 152 lph), onde a imprecisão devida às folgas pode ser grande, pode se usar a

versão com servo mecanismo deste medidor. O conceito atrás desta técnica é que não haverá pressão diferencial através do medidor, não havendo assim força para causar deslizamento das folgas. A eliminação desta pressão

diferencial é feita detectando as pressões a montante e a jusante e automaticamente ajustando um motor que varia a velocidade do rotor, de modo que as pressões sejam iguais. 4.6. Medidor com Engrenagens Ovais

O medidor de engrenagens ovais pertence à classe dos medidores de deslocamento positivo, com extração da energia do processo, intrusivo e com saída linear em relação a vazão.

O medidor possui uma câmara de medição com duas engrenagens ovais acopladas entre si e girando em sentidos contrários. Estas engrenagens giram muito próxímãs da parede da câmara, isolando os volumes do líquido. A câmara de medição possui uma entrada e uma saída. As duas engrenagens iniciam seu movimento devido ao diferencial de pressão existente entre a entrada e a saída. A cada giro completo das engrenagens, quatro volumes discretos são transportados da entrada para a saída do medidor, havendo uma proporcionalidade entre a rotação e o volume transferido.

Fig. 4. Medidor com engrenagens ovais

Esta rotação, normalmente transmitida por acoplamento magnético, passa por unidades redutoras de

velocidade, que permitem a instalação de contadores/indicadores locais, transmissão de pulsos eletrônicos à distancia ou transmissão de sinal analógico proporcional à vazão instantânea.

Para manter as forças de atrito e as perdas de carga num valor mínimo, as engrenagens ovais giram totalmente livres. Elas tocam apenas na linha de acoplamento e não tocam na câmara de medição, deixando pequena área ou fenda entre as engrenagens e a câmara.

Como em todos os medidores de deslocamento positivo, o erro da medição é causado pela vazão do fluido através destas fendas e função da dimensão da fenda entre as engrenagens e a câmara, do diferencial de pressão entre a entrada e a saída e da viscosidade do fluido medido.

Um aspecto importante da precisão do medidor com engrenagens é a relação da área da fenda com o volume da câmara de medição. Quando o volume da câmara de medição aumenta, o volume medido cresce ao cubo e a área da fenda cresce ao quadrado.

A precisão típica dos medidores com engrenagem é de ± 0,3% do valor medido, numa rangeabilidade de 10:1

Para viscosidades altas, a modificação do perfil dos dentes das engrenagens do medidor permite diminuir a perda que carga, diminuindo a energia necessária para eliminar o líquido do espaço entre os dentes.

Os medidores de engrenagens ovais são aferidos normalmente com tanques volumétricos ou medidas de capacidade. A calibração é simples, consistindo na alteração da relação de transmissão do medidor, através da troca de pequenas engrenagens de ajuste.

A calibração pode ser feita pelo próprio usuário, com o medidor em linha e com o próprio líquido de operação.

Os medidores de engrenagens ovais são disponíveis em vários modelos diferentes: 1. medidores com carcaça simples, para pequenas e médias vazões e pressões; 2. medidores com carcaça dupla, para medição de vazões médias e grandes, com altas temperaturas e pressões; 3. medidores com acabamento sanitário, para medição de produtos alimentícios e farmacêuticos;

4. medidores com câmara de medição encamisada, para medição de líquidos que necessitam de aquecimento ou resfriamento em linha;

5. medidores com dispositivos para dosagem local, para possibilitar o controle automático de pequenas vazões; 6. medidores com gerador de pulsos, para aplicação com indicação-monitorização remota. 5. Vantagens e Desvantagens

Os medidores a deslocamento positivo fornecem boa precisão (± 0,25% do valor medido) e alta rangeabilidade (l5:1). Sua repetibilidade é da ordem de ± 0,05% do valor medidor. Alguns projetos são adequados para fluidos com alta viscosidade. Não requerem alimentação externa e apresentam vários tipos de indicadores. Seu desempenho praticamente não é afetado pela configuração a montante do medidor. Eles são excelentes para aplicações de batelada, mistura, blending, desde que são medidas as quantidades reais de líquidos. São simples e fáceis de serem mantidos, usando-se pessoal regular e ferramentas padrão.

Os medidores a deslocamento positivo requerem peças usinadas com grande precisão para se obter pequenos intervalos, que influem no desempenho do medidor. Os líquidos medidos devem ser limpos, senão o desgaste destruiria rapidamente o medidor e degradaria sua precisão. As partículas contaminantes devem ser menores que 100 micros. As peças móveis requerem manutenção periódica; os instrumentos podem exigir recalibração e manutenção periódicas. Eles podem se danificar por excesso de velocidade e requerem alta pressão para a operação. Não servem para manipular fluidos sujos, não lubrificantes e abrasivos. 6. Conclusão

Como classe, os medidores a deslocamento positivo são um dos mais usados para a medição de volumes, em aplicações de custódia (compra e venda de produtos). Eles são especialmente úteis quando o fluido medido é limpo e sem sólidos entranhados. O desgaste das peças introduz a maior fonte de erro. O erro de vazamento aumenta com fluido de baixa viscosidade. Em grandes medidores, os efeitos da temperatura na densidade e na viscosidade devem ser considerados.

Os acessórios disponíveis padrão incluem: filtro, conjunto de alívio de ar para remover vapor antes do fluido entrar no medidor, válvula de desligamento automático para serviços de batelada, compensadores de temperatura, impressoras manual e automática, geradores de pulsos para manipulação remota, geradores do sinal analógico para monitorização remota.

VI - MEDIDOR DE VAZÃO CORIOLIS

Fig. 1. Medidor de vazão coriolis 1. Introdução

A massa, ao lado do comprimento e do tempo, constitui a base para toda medida física. Como um padrão fundamental de medição, a massa não deriva suas unidades de medida de qualquer outra fonte. As variações de temperatura, pressão, viscosidade, densidade, condutividade elétrica ou térmica e o perfil da velocidade não afetam a massa. Tais imunidade e constância tornam a massa a propriedade ideal para se medir.

Até recentemente, não existia nenhum método prático para medir massa em movimento. Os usuários tinham de inferir a massa do volume. Infelizmente, os medidores de vazão volumétrica não medem a massa mas o espaço que ela ocupa. Deste modo, deve-se calcular os efeitos da temperatura e pressão sobre a densidade, quando deduzir a massa do volume.

A medição direta da vazão de massa evita a necessidade de cálculos complexos. Ela cuida diretamente da massa e desde que a massa não muda, um medidor direto de vazão mássica é linear, sem as correções e compensações devidas às variações nas propriedades do fluido.

O medidor opera pela aplicação da Segunda Lei de Newton: F=ma onde : m = massa a = aceleração

Ele usa esta lei para determinar a quantidade exata de massa fluindo através do medidor. A massa do fluido tem uma velocidade linear quando ele flui através do tubo sensor. A vibração do tubo sensor, em sua frequência natural em torno do eixo, gera uma velocidade angular. Estas forças vibracionais do tubo, perpendiculares à vazão do fluido, causam uma aceleração na entrada e uma desaceleração na saída. O fluido exerce uma força oposta a si próprio, que resiste às forças perpendiculares do tubo, causando o tubo dobrar. Os circuitos eletrônicas do medidor de vazão mássica essencialmente medem esta pequena força vibratória induzida pela vazão do fluido. Esta força do fluido é proporcional à vazão mássica. É a mesma força de Coriolis que causam as correntes de ar circularem em torno da Terra em rotação. Esta força também cria uma precessão giroscópica empregada em sistemas de navegação de navios e aviões. A força de coriolis é a única força significativa usada na determinação da vazão mássica direta.

2. Relações Matemáticas

Um elemento de fluido movendo em velocidade constante ao longo de um trecho reto de tubulação não possui nenhuma componente de aceleração. Porém, se o tubo é girado um instante, aparece uma aceleração complementar ou aceleração de Coriolis. Esta componente de aceleração produz uma força de inércia na tubulação

proporcional a vazão mássica instantânea. A força de Coriolis é o princípio operacional básico atrás do medidor de massa de Coriolis.

A aceleração de Coriolis (aC) para uma partícula de massa dm, movendo ao longo de uma tubulação em rotação vale: aC = 2 w x vf onde : x é o produto vetorial dos vetores velocidade rotacional (w) e velocidade axial (vf) do fluido.

O vetor da aceleração de Coriolis é perpendicular ao plano contendo a velocidade do fluido e o vetor rotacional. Pela Segunda lei de Newton (F = ma), a força inercial incremental na parede da tubulação, produzida pela componente da aceleração de Coriolis é : dF = (dm)(aC) = 2 w qm dr onde a força elementar dF é perpendicular ao plano dos vetores velocidade e rotacional.

Ela age na direção perpendicular à tubulação e se opõe ao movimento rotacional. A força inercial total na parede da tubulação é obtida da integração ao longo da tubulação e a vazão mássica instantânea é dada por : Q= F/2 w L

No medidor industrial, a tubulação não é girada mas oscilada por bobinas eletromagnéticas na frequência natural da estrutura. Pela aplicação de um movimento oscilatório, é possível suportar rigidamente a tubulação e eliminar os suportes. Desde que a tubulação está agora aterrada, a rigidez do sistema é muito aumentada, limitando o movimento que pode ser seguramente suportado sem ruptura. Para diminuir a rigidez, são usados tubos longos que podem tomar vários formatos de modo a minimizar o comprimento total do medidor. Estes formatos, normalmente em U, aumentam a perda de carga do medidor.

O medidor Coriolis é um sistema dinâmico, onde a velocidade angular de acionamento está em fase com a aceleração de Coriolis produzida e, portanto, defasada de l80 o da força de Coriolis do fluido na tubulação.

Há dois modos diferentes de vibração, uma vibração do circuito da tubulação acionada eletromagneticamente (em sua frequência natural) e outra vibração produzida pelas forças de Coriolis acionando a tubulação em uma frequência correspondendo a frequência do primeiro modo.

Há duas deflexões: uma produzida na porção acionada dd (na frequência de ressonância) e outra dF, resultante da força de Coriolis. Estas deflexões estão defasadas de 180o: quando a deflexão de acionamento dd é zero, a deflexão produzido pela força de Coriolis dF é máxima. Esta diferença de quadratura entre as duas deflexões serve para detetar a vazão mássica instantânea e pode ser detetada pela: 1. amplitude dos dois modos; 2. diferença de fase; 3. cruzamento do zero.

É comum o uso de dois tubos, diminuindo a necessidade de potência e resultando em um sistema de sintonia balanceada que minimiza a energia entrando ou saindo do sistema de fontes externas. O fluido pode ser dirigido seriamente ou em paralelo, dependendo do fabricante. Os modos de acionamento, de deflexão de Coriolis, de deteção e relação da amplitude medida dependem de cada fabricante.

Fig. 2. Esquema do tubo medidor coriolis

3. Calibração

O medidor Coriolis necessita da calibração inicial para a determinação da constante do instrumento e se mantém para qualquer fluido. A verificação ou a recalibração é facilmente feita no campo, pelo usuário. Para uma mola acionada estaticamente, a calibração com um único líquido, usando um fluido com única densidade, seria suficiente para determinar a constante do medidor para todas as variações de densidade, desde que a rigidez do sistema (constante de mola) seja corrida para as variações de temperatura. As cargas não são aplicadas estaticamente mas são aplicadas na frequência de acionamento. Uma função de transferência mecânica é portanto introduzida em adição a função estática.

4. Medidor Industrial

Um objeto se movendo em um sistema de coordenadas que gira com uma velocidade angular, desenvolve uma força de Coriolis proporcional a sua massa, a velocidade linear do objeto e a velocidade angular do sistema. Esta força é perpendicular junto a velocidade linear do objeto como a velocidade angular do sistema de coordenadas.

A Terra constitui o sistema rotatório. Por causa da força de Coriolis, um objeto lançado de uma torre alta atingirá a terra um pouco a leste da vertical. Neste caso, a velocidade angular está apontada para o norte e a velocidade linear está dirigida para baixo e a força de Coriolis está na direção leste. Se o movimento do objeto fosse impedido de cair em um longo tubo vertical, esta componente da velocidade dirigida para leste faria o objeto exercer uma força contra a parede do tubo. Se o líquido é bombeado através deste tubo, a força de Coriolis contra o tubo é proporcional a vazão mássica e o momento angular da terra.

Em um medidor tipo Coriolis, o fluxo do fluido de entrada é dividido entre dois tubos curvados, iguais e com diâmetros menores que a tubulação do processo. A vazão segue as trajetórias curvas e converge na saída do medidor. Estes tubos estão vibrando em sua frequência natural, geralmente por um dispositivo magnético. Se, em vez de ser continuamente girado, o conduite vibra, a amplitude e a direção da velocidade angular se alternam. Isto cria uma força de Coriolis alternada. Se os tubos curvados são suficientemente elásticos, as forças de Coriolis induzidas pela vazão mássica produzem pequenas deformações elásticas nos tubos. Esta distorção pode ser medida e a vazão mássica inferida dela.

Fig. 3. Sensor do medidor coriolis

Em sua forma mais simples, o medidor de vazão Coriolis possui dois componentes básicos: o sensor e o

transmissor eletrônico. O sensor é um conjunto de tubo (um ou dois) instalado na tubulação do processo. O tubo usualmente em forma de U é vibrado em uma pequena amplitude, na sua frequência natural, por meio de um sinal da bobina acionadora. A velocidade angular do tubo vibrante, em combinação com a velocidade de massa do fluido vazante, faz o tubo inclinar. A quantidade de inclinação é medida através de detetores de posição, colocados nas duas extremidades do tubo em U. Os sinais gerados pelos detetores são levados para um circuito eletrônico, que condiciona, amplifica, padroniza e transmite uma sinal de saída, típico de 4 a 20 mA cc. Nenhum componente a estado solido fica próximo do tubo e, como consequência, pode-se manipular fluidos em alta temperatura. O transmissor eletrônico pode ficar até 300 metros de distancia do sensor.

Quando a vazão passa pelo tubo vibrante, o efeito Coriolis ocorre, causando uma inclinação no tubo durante sua vibração. A inclinação é medida com um tempo de atraso entre as laterais do tubo e a medição é processada como uma onda senoidal. O tempo de atraso é diretamente proporcional a vazão mássica instantânea. Independente da inclinação, a frequência de vibração do tubo varia com a densidade do fluido do processo. Deste modo, além da medição da vazão mássica (maioria das aplicações) pode-se medir também a densidade do fluido (minoria das aplicações). Um sensor de temperatura, normalmente um bulbo de resistência, é também usado para monitorar a temperatura, que influi na módulo de Young do tubo metálico.

Nada fica em contato com o fluido, exceto a parede interna do tubo, que é feito normalmente de aço inoxidável AISI 3l6 (na E & P B.C. adota-se hastelloy devido a forte presença de íon cloreto).

Como somente a massa em movimento é medida, a incrustação de material no tubo sensor não afeta a calibração do medidor.

5. Características

A saída do medidor é linear com a vazão mássica, de zero até o valor máximo especificado. O circuito eletrônico pode gerar saída analógica e digital. A saída digital tem frequência ajustável continuamente entre 0 e 3 kHz e 0 a 15 kHz. A saída analógica mais comum é a de 4 a 20 mAcc. A saída pode ser escalonada em qualquer unidade de engenharia.

A precisão é tipicamente estabelecida entre ± 0,2 a ± 0,4% da vazão medida, com rangeabilidades iguais ou maiores que 25:1. Elas medem diretamente em unidades de massa. Com medidores volumétricos, a temperatura ou a pressão estática ou ambas deviam ser medidas para a determinação da vazão de massa.

Portanto, os medidores volumétricos usados para medir a vazão mássica não podem ser tão precisos quanto os instrumentos usados para medir diretamente a massa.

As faixas de vazão variam de 10 gramas/minuto até 20.000 kg/minuto. Os medidores são disponíveis em tamanhos de até 6" de diâmetro.

Normalmente não há considerações ou imposições acerca de trechos retos a montante e a jusante. A maioria dos medidores não necessita de trechos retos vizinhos ao medidor. Não há peças moveis e os tubos são virtualmente sem obstrução. O medidor pode ser limpo no local e auto-drenado com a própria configuração e orientação do tubo. São disponíveis também versões sanitárias. 6. Aplicações

Os medidores de vazão Coriolis podem medir líquidos, inclusive líquidos com gás entranhado, líquidos com sólidos, gases secos e vapor superaquecido, desde que a densidade do fluido seja suficientemente elevada para operar corretamente o medidor. Os medidores são disponíveis em tamanhos variado de 1" a 6".

A habilidade do medidor de vazão Coriolis medir a densidade tem muitas aplicações. As densidades de líquidos podem ser medidas com altissímã precisão e em linha, sem os inconvenientes e atrasos de amostragem. A densidade pode ser usada para determinar a percentagem de material na vazão pela massa (percentagem de sólidos) ou volume total. 7. Critérios de Seleção

Os fatores na seleção e aplicação do medidor de vazão Coriolis incluem o tamanho, que afeta a precisão e a queda de pressão, compatibilidade de materiais, limites de temperatura e pressão. Alguns medidores são projetados para faixas de temperatura entre - 400 a + 600 °F. Os medidores podem suportar pressões de até 5000 psig.

A perda de pressão é um parâmetro importante no dimensionamento do medidor. O valor preciso e confiável da viscosidade nas condições reais de operação e de vazão (a viscosidade depende da temperatura e do fato do fluido estar vazando ou não) é importante na determinação da queda de pressão. Normalmente, há uma relação ótímã entre viscosidade, queda de pressão e tamanho do tubo medidor para uma medição precisa e confiável.

A compatibilidade do material é critica com muitas vazões e é valiosa a experiência do fabricante com vários pares fluidos/materiais. As tabelas padrão de corrosão podem não ser suficientes, pois o tubo medidor pode estar sujeito a corrosão de tensão (stress corrosion crack) com alguns fluidos. O material padrão do tubo medidor é o aço inoxidável AISI 3l6L. Quando os fluidos são mais agressivos, por exemplo, contendo cloretos, podem ser usados tubos de Hastelloy, Monel, tântalo ou com revestimentos convenientes. 8. Limitações

Os problemas que aparecem nestes sistemas de medição de vazão de Coriolis estão relacionados com a sensibilidade a vibração e a alta temperatura, falhas do circuito eletrônico, rupturas do tubo em soldas internas e entupimento do tubo por fases secundárias. A maioria dos problemas pode ser resolvida com melhorias do projeto. Tubos curvados de vários formatos reduzem o tamanho e peso de corpo do medidor e diminuem a perda de carga permanente em médias e altas velocidades.

A distorção do tubo pode ser medida sem a necessidade de se ter um ponto ou plano de referência para o movimento do tubo. Maiores relações sinal/ruído e correção de desvio de zero melhoram o desempenho do instrumento. Adicionalmente os medidores são menos sensíveis a vibração e mais fáceis de serem instalados. A vazão divergente entre os dois tubos não mais necessitam ser distribuída igualmente para manter a precisão e novos projetos eliminam a necessidade de soldas internas nas extremidades do tubo.

Embora o medidor de massa de Coriolis seja não-intrusivo, a trajetória da vazão passa em seu circuito. Em adição, a vazão é separada em dois tubos com diâmetros menores que o diâmetro da tubulação de processo. Isto ocasiona o aparecimento freqüente de fase secundária no medidor, quando não cuidadosamente instalado. A perda de pressão pode ser substancialmente maior do que em outros tipos não-intrusivos e portanto, pode haver o aparecimento de cavitação e flasheamento de líquidos voláteis.

Os problemas ocorrem mais freqüentemente na partida de sistemas mal instalados do que de falhas mecânicas ou eletrônicas. Portanto, a instalação deve ser estritamente de acordo com as recomendações do fabricante. Mesmo para pequenas linhas de processo, os medidores são pesados e volumosos, quando comparados com outros tipos. Porem, eles não são afetados pela distorção do perfil da velocidade e não requerem longos trechos de tubulação para sua instalação.

Embora o medidor custe muito mais do que os outros tipos, ele mede a vazão mássica diretamente, sem a necessidade de instrumentos adicionais para compensação. 9. Conclusão

Hoje, no mundo, há mais de 75.000 medidores de massa direta, tipo Coriolis, para operar nas indústrias farmacêutica, química, de papel e celulose, petroquímica e de tinta. Eles medem a vazão mássica e a densidade de materiais tão diversos como tintas e polímeros, óleo diesel e soda caustica, plasma sanguíneo e glicol etileno. O medidor é particularmente usado na medição de vazão de fluidos não-newtonianos, normalmente encontrados na indústria de alimentos, tintas e farmacêutica.

O medidor Coriolis é o único que oferece a habilidade de medir diretamente a vazão mássica em um processo contínuo e principalmente em processos tipo batelada. Um único medidor de vazão pode ser usado para controlar vários ingredientes ou vários medidores podem medir cada componente da mistura, diminuindo grandemente o tempo da batelada, com grande beneficio ao usuário, pois o problema de pesar materiais é inteiramente eliminado.

O medidor Coriolis é também usado em aplicações de transferência de custódia (compra e venda de produtos).

Desde que haja suficiente velocidade de massa, o medidor Coriolis pode medir vazões de gases.

VII - MEDIDOR DE VAZÃO ULTRA-SÔNICO

1. Introdução

A classe ultra-sônica de medidores de vazão possui dois tipos diferentes: tempo de propagação ou tempo de trânsito e a efeito Doppler. Para a maioria dos medidores ultra-sônicos, a energia elétrica é usada para excitar um cristal piezoelétrico em sua frequência de ressonância. Esta frequência de ressonância é transmitida na forma de onda, viajando à velocidade do som, no fluido e no material onde o cristal está tocando. 2. Tipo Diferença de Tempo

O medidor de vazão ultra-sônico a diferença de tempo ou tempo de trânsito mede a vazão, medindo o tempo gasto pela energia ultra-sônica atravessar a seção do tubo, indo a favor e contra a vazão do fluido dentro da tubulação. Os tempo de propagação da onda ultra-sônica, através do fluido, são diferentes, quando no sentido da vazão e quando no sentido contrario. A diferença no tempo de trânsito das ondas, a favor e contrario à vazão, é proporcional a vazão do fluido. Há uma diferença de tempo de propagação, por que quando a onda viaja contra a vazão, a sua velocidade é levemente diminuída e quando viaja a favor da vazão, a velocidade da onda sonora é levemente aumentada.

Neste medidor, uma onda de pressão de alta frequência é projetada, sob um ângulo preciso, através da tubulação. Quando a onda é transmitida através do fluido na direção da vazão, sua velocidade aumenta. Quanto ela é transmitida contra a direção da vazão, sua velocidade diminui. Do ângulo entre a trajetória da onda e a vazão do fluido e da velocidade da onda no fluido pode se determinar a velocidade média do fluido. A vazão volumétrica pode ser inferida desta medição da velocidade da vazão.

Fig. 1. Princípio de operação do medidor ultra-sônico

Como a onda de ultra-som não pode ser dispersa pelas partículas no fluido, estes medidores são

normalmente usados para medir a vazão de líquidos limpos. As precisões podem variar de ± l a ± 5% da vazão medida, com rangeabilidades de vazão de 10:1 a 40:1. Como estes medidores são não-intrusivos, a perda de carga permanente é essencialmente zero. Os transdutores podem ser grampeados do lado de fora da tubulação.

O tipo mais simples e mais econômico envia uma única onda através do fluido e tem dois transdutores montados com ângulo de 180 graus afastado do tubo. O raio faz a média do perfil da velocidade ao longo de sua trajetória e não cruza a área do tubo. Isto toma o medidor dependente do perfil da velocidade, que, por este motivo, deve ser estável. Trechos retos de tubulação são normalmente recomendados para eliminar a distorção e os redemoinhos.

As bolhas de ar no fluido, ou os redemoinhos e os distúrbios gerados por acidentes antes do medidor podem espalhar as ondas de ultra-som, causando dificuldades na medição. As variações da temperatura do processo podem alterar a velocidade do som no fluido, piorando o desempenho do medidor. Há problemas com medições de pequenas vazões, pois há muito pequena diferença entre os tempos de transmissão a favor e contra a vazão do fluido. 3. Tipo Diferença de frequência

No medidor a diferença de frequência, ajustam-se as frequências de dois osciladores, uma em fAB e a outra em fBA, onde se tem: fAB = 1 / tAB fBA = 1 / tBA

A relação entre a diferença das frequências e a velocidade da onda é dada por:

=×∆f L

2cosθ

4. Efeito Doppler

O efeito Doppler foi descoberto em 1842 e é usado atualmente em sistemas de radar (ar) e sonar (água) e em estudos médicos e biológicos. A demonstração prática do efeito Doppler é escutar o apito do trem ou a buzina do carro. A qualidade tonal (frequência) é diferente para o observador estático quando o trem está também parado ou em movimento.

Na aplicação industrial, quando um raio ultra-sônico é projetado em um fluido não-homogêneo, alguma energia acústica é refletida de volta para o elemento sensor. Como o fluido está em movimento com relação ao elemento sensor e o som espalhado se move com o fluido, o sinal recebido difere do sinal transmitido de um certo desvio de frequência, referido como o desvio de frequência Doppler. Este desvio de frequência é diretamente proporcional a vazão.

Estes medidores não são normalmente usados com fluidos limpos, porque uma quantidade mínima de partículas ou bolhas de gás devem estar no fluido. As bolhas de gás podem ser criadas no fluido para fins de medição. A precisões geralmente variam de + 2 a ± 5% da vazão medida. Não há usualmente restrições para a vazão ou para os números de Reynolds, exceto que a vazão deve ser suficientemente rápida para manter os sólidos em suspensão. 4.1. Aplicações

Como com o tempo de trânsito e outros medidores de vazão, a tubulação deve estar completamente cheia, para se ter a medição da vazão correta. O transdutor com efeito Doppler indica a velocidade em uma tubulação parcialmente cheia, desde que o transdutor esteja abaixo do líquido na tubulação.

Os fabricantes especificam a distancia mínima do medidor para os provocadores de distúrbio, como válvula, cotovelo, te, bombas, tipicamente 10 a 20 D antes e 5 D depois do medidor.

O medidor a efeito Doppler se baseia nas bolhas ou partículas no fluido para refletir a energia ultra-sônica. Os fabricantes especificam o limite mínimo de concentração e tamanho de sólidos ou bolhas nos líquidos para operação confiável e precisa. Os medidores ultra-sônicos a efeito Doppler são efetivos com líquidos misturados com sólidos (slurries). Porem, quando a mistura é altamente concentrada, as ondas ultra-sônicas não penetram suficientemente no fluido, por causa da reflexão no fluido próximo da parede da tubulação, que se move muito lentamente.

Variações na densidade da mistura também introduzem erro. O medidor a efeito Doppler opera independente do material da tubulação, desde que ele seja condutor

sônico. Tubulação de concreto, barro e ferro muito poroso, podem absorver a energia ultra-sônica e podem não trabalhar bem com um medidor tipo Doppler. Deve-se tomar cuidado com tubo de plástico reforçado com fibra de vidro; os resultados são excelentes com tubulação de plástico, como de PVC.

O medidor é geralmente barato para comprar, para instalar e para usar. Entretanto, a necessidade de múltiplos conjuntos de transdutores aumenta o custo da instalação. Muitas vezes, os transdutores são montados do lado de fora da tubulação. 4.2. Especificações

A precisão especificada é tipicamente de ± 0,5 a ± 5 % da largura de faixa e depende do fabricante, velocidade, diâmetro da tubulação, fluido do processo. Deve ser feita a calibração no fluido do processo para converter a velocidade em vazão volumétrica. A calibração sem o fluido do processo pode introduzir erros de + 5% até -2 % da vazão medida. A calibração feita com outro fluido conhecido mas diferente do fluido do processo real pode produzir precisão tão boa quanto ± l% do valor medido. A repetibilidade é da ordem de ± 0,5% do fundo de escala.

Os medidores podem ser bidirecionais, mas eles medem apenas a magnitude e não a direção da vazão. Pode-se usar totalizador, em vez de indicador da vazão instantânea. Vibrações na tubulação e condições de não vazão podem causar indicação do fundo de escala devido ao movimento das partículas e das bolhas. A saída de 4 a 20 mAcc é a padrão. Saídas de pulso ou de voltagem são opcionais.

4.3. Conclusão

O número de instalações com medidores ultra-sônicos, tanto a tempo de trânsito como a efeito Doppler, tem diminuído por causa da reputação de desempenho inadequado. Muitos medidores de vazão ultra-sônicos a efeito Doppler são medidores portáteis para verificação de grandes vazões; são aplicações que não requerem grande precisão. Atualmente são projetados medidores ultra-sônicos com melhoria do desempenho, com projetos envolvendo transdutores múltiplos, maiores freqüências de operação e novas técnicas eletrônicas. Já são desenvolvidos, inclusive, medidores de vazão para fluidos limpos usando a turbulência do fluido para refletir as ondas.

ANEXO I

1. Medidor Ultra-Sônico Controlotron(Tempo de Trânsito) 1.1. Generalidades

O sistema 990 é um medidor de vazão ultra-sônico extremanente versátil, do tipo de fixação (“clamp-on”) e tempo trânsito. Para se obter o melhor rendimento possível deste equipamento, é aconselhável prestar particular atenção às normas de aplicação apresentadas nesta seção.

É preciso dizer ao sistema aquilo que você deseja que ele faça. Você obtém isso, executando o precedimento de instalação acionado por menu. O computador de fluxo verifica as condições do tubo e do líquido para otimizar a operação. Contudo, seu desempenho satisfatório depende também da precisão das informações que você passa para ele. 1.2. Normas quanto ao Líquido

O êxito na medição do fluxo depende do sinal de transmissão sônica que viaja pelo líquido e chega ao transdutor de recepção sem atenuação excessiva. A maioria dos líquidos se constitui em excelente condutores sônicos, independente de suas propriedades elétricas ou óticas. Embora líquidos altamente viscosos exibam maior grau de atenuação sônica, a esmagadora maioria desses líquidos se constitui em aplicações aceitáveis. 1.3. Normas quanto aos Tubos

O sistema 990 opera sobre qualquer tubo de seção circular que seja sonicamente condutivo. Os materiais de tubo apropriados incluem a maioria dos metais, plásticos, vidro e FRP enrolado a mandril. Os tubos com estrutura de granulação fina (p.ex., aço carbono e aço inoxidável) normalmente são mais condutivos que o ferro fundido, ferro dúctil, ou tubos de cobre. Mesmo assim, a maioria deles normalmente é aceitável. Os tubos inaceitáveis incluem os de concreto, ou outros materiais não-homogêneos.

Os revestimentos de tubos serão aceitáveis, se forem sonicamente condutivos e solidamente ligados à parede interna do tubo. O sistema opera com êxito sobre tubos com camisas de cimento, se estas forem do tipo de encaixe no interior do tubo por meio de rotação, de forma a excluir quaisquer bolhas de ar. Os tubos com revestimentos betuminosos e de resina aplicados suavemente também são aceitáveis. As camisas de plástico são universalmente aceitas, desde que elas fiquem em íntimo contato com a parede interior (e não meramente deslizadas para dentro do tubo). 1.3.1. Dimensão dos Tubos

Dependendo dos transdutores e trilhos de montagem adquiridos, os Sistemas Uniflow podem ser usados com tubos variando de 0,25” a 360” de diâmetro externo. Durante a programação de instalação (vide Seção 5.4 do manual de operação), o computador de fluxo recomenda transdutores com tamanhos baseados nos dados da Preparação da Área, aos quais você deu entrada (vide Seção 5.3 do manual de operação).

Tubos com relação entre a espessura de diâmetro externo e a parede (DE/P) maior que 10:1 se constituem em aplicações ideais. Operações sobre tubos com relações DE/P de 7:1 (ou menor) são aceitáveis, mas poderão apresentar estabilidade e linearidade reduzidas. Geralmente, as maiores relações DE/P proporcionam melhor estabilidade. Se o tubo tiver um baixa relação DE/P, você deverá usar o menor dos tamanhos de transdutor recomendados (se a CDU recomendar dois tamanhos de transdutor).

1.4. Normas para Seleção de Transdutores

O tamanho de transdutor recomendado baseia-se no diâmetro externo do tubo (vide parágrafo 5.3.3.2 do

manual de operação). Contudo, é possível usar-se o sistema com um tamanho de tubo fora de sua faixa de diâmetro externo nominal. O usuário é que especifica o tamanho do transdutor durante a instalação. O computador de fluxo responde recomendado um número de Índice de Afastamento do 992MT. O tamanho do transdutor será aceitável, se o computador permitir instalação no índice de afastamento recomendado, sem emitir um Alerta de Afastamento.

Se, usando os transdutores nominais (para o grupo de diâmetros especificados), você não obtiver uma operação satisfatória, experimente usar os nossos transdutores série “A”. Um transdutor da série “A” poderá ser recomendado para algumas combinações de parede de tubo e de material. Consulte o Application Engineering Department da Controlotron para maiores informações, ou solicite o Boletim 991XA para saber qual o material de tubo adequado.

1.5. Normas a Respeito dos Trilhos de Montagem

Os trilhos de montagem da Controlotron abrigam configurações de montagem Direta ou Refletida (vide Figura 4-1 do manual de operação). Com base nos dados, aos quais se deu entrada durante a programação da Área, o computador de fluxo poderá recomendar um trilho de montagem Direta ou Refletida. Esta recomendação poderá ser rejeitada para se usar um tipo de trilho de montagem disponível. Note que trilhos de montagem Hibridos, que sustentam, tanto modos Direto, quanto Refletido, podem ser fornecidos pela fábrica.

Habitualmente, recomendamos a montagem Refletida, em razão da simplicidade de sua instalação. Além disso, a montagem refletida proporciona boa resistência a condições de perfil de fluxo inclinado que pode produzir fluxo cruzado dentro da corrente. A montagem Refletida poderá ser necessária, se as condições da área não permitirem acesso ao lado oposto do tubo. Observe que, comparado com a montagem Direta, os trilhos de montagem Refletida exigem quase o dobro do comprimento de um tubo reto.

Tendo em vista o fato de que a montagem Direta proporciona uma trajetória de feixe sônico mais curto, esta configuração melhora o desempenho com líquidos sonicamente atenuantes. Além disso, a montagem Direta poderá ser necessária para abrigar o trilho de montagem, se o único tubo reto disponível for muito curto. Em tais casos, poderá também ser necessário usar os trilhos especialmente encomendados A ou B (S para sistemas portáteis). 1.6. Localização do Transdutor

É importante que se leve em consideração os fatos abaixo, ao se escolher a localização do transdutor: 1) Para um melhor perfil do fluxo, tente localizar os transdutores ligeiramente a jusante do centro do mais longo

trecho reto disponível. 2) EVITE (se possível), localizar os transdutores a jusante de:

- uma válvula de estrangulamento, ou qualquer outra fonte de cavitação. - um tanque de mistura, ou outro equipamento, que possa aerar potencialmente o líquido.

3) NÃO monte os transdutores sobre uma seção de tubo que possa ser esvaziada durante o fluxo zero. Se você não puder evitar isto, então, lembre-se de que o sistema não poderá medir o fluxo, até que haja o reenchimento do tubo e que o líquido flua durante tempo suficiente para expelir o ar do tubo.

4) NÃO monte os transdutores numa seção de tubos que tenha carepa interna. Você deverá remover toda a carepa externa.

5) NÃO monte os transdutores sobre uma costura de tubo, ou outra área interrompida. Os transdutores deverão ser montados, de modo que qualquer costura fique entre os trilhos de Montagem Direta, e não oposta aos trilhos de Montagem Refletida.

6) NÃO monte os transdutores, a partir de diferentes computadores de fluxo 994 sobre o mesmo tubo. 7) NÃO estenda cabos de transdutores em rolos comuns com cabos pertencentes a equipamentos de comunicação,

ou de outros sistemas Uniflow. 8) NÃO monte os transdutores debaixo d’água, a não ser que você encomende unidades submarinas e saiba instalá-

las, de acordo com as instruções da fábrica. 9) Consulte a Tabela 5-4 (do manual de operação), quanto à lista de compostos de acoplamento sônico que

recomendamos, quando se faz a montagem dos transdutores sobre o tubo. 1.7. Faixa de Velocidades de Fluxo

A faixa de velocidades de fluxo do Sistema 990 é de, pelo menos, ± 40 pés/seg., independente do diâmetro do tubo. Dependendo das condições de aplicação, esta faixa pode estender-se acímã de ± 100 pés/seg. Esta faixa de medição é maior que a de que virtualmente se necessita para qualquer aplicação conhecida. 1.8. Amortecimento e Dispersão dos Dados de Fluxo

O Sistema 990 apresenta resposta de fluxo mais rápida e melhor sensibilidade de detecção que qualquer medidor de vazão convencional. Portanto, ele pode exibir ligeiras flutuações de fluxo sempre presentes, embora não

detectáveis pelos medidores de vazão típicos. Isto representa um bem valioso, quando você precisa captar transientes de fluxo. Contudo, você pode ajustar os controles de Coeficiente de Salto Vertical e do Conjunto de Amortecimento (ver Parágrafo 5.4.2) para suavizar a resposta do sistema.

1.9. Aplicações en Altas Temperaturas

Regulamos os transdutores 991 do tipo padrão para funcionamento em até 250°F. Oferecemos

transdutores de fluxo para altas temperaturas (H), (High), com operação nominal prevista para até 375°F. Estes são os transdutores que você deve adquirir, se a temperatura do tubo, no seu caso específico, exceder a 250°F. Também fabricamos transdutores (VH) para temperatura muito elevado (VH), Very High, destinados às aplicações, onde a temperatura exceda 375°F, mas fica abaixo de 450°F. 2. CONDIÇÕES DE APLICAÇÃO INACEITÁVEIS

Tudo de que o medidor de fluxo necessita para operar é receber um sinal de amplitude suficiente para ativar seus circuitos de detecção de ganho automaticamente controlados. Em quase todos os casos, condições de aplicação adversas reduzem o desempenho do sistema, ou causam manifestas falhas operacionais. A descoberta da condição de aplicação responsável pelas mesmas pode ser o remédio apropriado.

O programa operacional incorpora abrangentes dados de diagnósticos (veja o parágrafo 5.4.4 do manual de operação). Usando esses dados, nosso Departamento de Serviço Técnico pode observar o comportamento do medidor, referente à aplicação com grandes detalhes. Uma análise adequada apontará soluções para virtualmente qualquer problema de aplicação adversa. Nosso Departamento de Serviços presta assistência mediante chamada do cliente. O número do telefone do Departamento de Serviço Técnico consta do parágrafo 1.8 deste manual. 2.1. Condições do Líquido

Virtualmente todos os líquidos são excelentes condutores sônicos. Contudo, líquidos que conduzem

matéria na forma de pequenas partículas difusas de natureza sólida, não-homogênea, ou gasosa, podem dispersar um feixe ultra-sônico. Isto se tornará evidente, especialmente se o material disperso possuir impedância sônica diferente daquela do líquido de base. A impedância sônica é definida como o produto de uma densidade do material e a velocidade de propagação sônica. O item que trata da Valc (intensidade de sinal) no Menu de Diagnósticos é um bom indicador desta condição. Um valor baixo (inferior a 40) indica, ou uma possível baixa condutividade sônica do líquido, ou falho acoplamento do transdutor ao tubo.

Além de impedir possível operação, líquidos com baixa condutividade sônica podem afetar o desempenho, reduzindo a relação sinal-ruído do sistema. Isto pode provocar visível aumento na dispersão de dados, não-linearidade, e desvio do zero, se a perda de sinal for extrema.

a) Aeração

Gases não dissolvidos, tendo uma muito baixa impedância sônica, podem dispersar o feixe sônico. Em

grandes quantidades, podem reduzir, significativamente, a intensidade do sinal sônico. Pequenas bolhas causadas pela cavitação normalmente provocam mais perda de sinal do que uma igual quantidade de grandes bolhas de gás. Usualmente, pode-se aliviar este problema, eliminando-se a razão da aeração. A aeração pode ser causada por um tanque de mistura, cavitação de uma válvula de estrangulamento, ou sucção de ar localizado a montante em relação à posição de montagem do transdutor.

O Sistema 990 opera bem com limite de aeração mais alto que qualquer outro medidor de fluxo de tempo de propagação. Isto permite que ele meça e emita um índice de Aeração, Vaer, que representa o grau de aeração de que é capaz de detectar. A medição da aeração prossegue, até que sua presença impeça a operação e dispare um Alarme de Falha. O índice de aeração é útil para aplicações que precisem de um indicador para a mesma. O índice Vaer pode ser usado para definir um ponto de referência de Alarme de Aeração que aparece na tela e dispara um relé de alarme. Note que Vaer é um valor relativo e não absoluto. Será necessário observar (ou criar) uma condição de alarme de aeração. Quando uma condição de alarme se apresenta, deve-se observar o índice Vaer no Menu de Diagnóstico (veja parágrafo 5.4.4 do manual de operação). Use este índice como ponto de referência do Alarme de Aeração. O sistema emitirá um Alarme de Falha, antes que a aeração atinja um nível capaz de prejudicar a operação.

NOTA: Antes de executar a rotina de instalação, deixe transcorrer algum tempo, até que o líquido

“expurgue” todo o ar preso no Tubo.

b) Pastas Semi-fluidas

Sólidos densos não dissolvidos (por exemplo, pasta de areia), podem causar problemas de aplicação, se presentes em quantidades suficientes para provocar considerável dispersão do feixe sônico. Sólidos de baixa densidade, tais como materiais orgânicos, borra de carvão e lama de esgoto não aerada, geralmente são excelentes condutores sônicos. As impedâncias sônicas destes materiais ficam bem próximas da maioria dos líquidos. Sólidos minerais em excesso podem disparar o alarme de Aeração. c) Líquidos Bifásicos

Os líquidos bifásicos (por exemplo, óleo e água) causam alguma dispersão do feixe sônico. Contudo,

estes geralmente conduzem ondas ultra-sônicas suficientes para uma adequada operação (a não ser que densa aeração também se encontre presente). Os líquidos bifásicos com grandes quantidades de diferentes componentes, como areia ou gás livre, poderiam ser também atenuantes sônicos. De igual forma, um líquido misturado irregularmente com ampla variação de temperaturas pode “parecer” como um líquido bifásico para o computador de fluxo.

d) Líquidos Viscosos

Líquidos altamente viscosos tendem a “absorver” a energia do feixe sônico, causando redução na

amplitude de sinal, em comparação com líquidos de baixa viscosidade. Contudo, a maioria dos líquidos de alta viscosidade são suficientemente condutores para uma aceitável operação com transdutores de montagem direta (por causa da curta via de transmissão ultra-sônica). Um valor Valc baixo (veja parágrafo 5.4.4 do manual de operação) indica baixa condutividade sônica.

2.2. Condições do Tubo

Assim como os líquidos, a maioria dos materiais de tubos se constitui em excelentes condutores sônicos.

Metais de grãos finos, como aço e suas ligas, são condutores melhores que os metais de grão grosseiro, como ferro dúctil, ferro fundido e ligas de cobre. Comumente contudo, todos os tubos de metal são aplicações aceitáveis, se não existirem falhas de fabricação, ou áreas contendo costuras de solda. Tipicamente, estes são pontos insatisfatórios para transdutores. Tubos plásticos, como PVC ou FRP enrolado a mandril, são condutores sônicos adequados. Contudo, tubos de fibra de vidro feitos de “camadas” de folhas dessa fibra, geralmente aprisionam ar e apresentam partes externas muito desiguais para uma boa montagem do transdutor.

a) Revestimentos do Tubo O sistema opera bem com tubos revestidos de plástico ou cimento em contato molecular com o interior

dos mesmos. De igual forma, camadas protetoras, como de tintas de resina epoxi e camadas betuminosas, geralmente não apresentam nenhum problema. Contudo, se forem aplicadas em passadas espessas, ou bolsas de ar, isso poderia impedir o feixe sônico. A pintura no exterior do tubo não constitui problema, a não ser que a tinta se desprenda do mesmo. Se a pintura desprender-se da parede do tubo, o ar subjacente poderia prejudicar a penetração do feixe sônico. b) Relação entre o Diâmetro Externo e a Espessura de Parede do Tubo

Tubos com uma relação entre o diâmetro externo e a espessura de parede (DE/P) menor que 10:1

freqüentemente permitem um incremento de energia sônica de fundo, na parede do tubo. Apresentam níveis mais elevados de dispersão de dados, não linearidade, ou desvio do zero, quando comparados com tubos de paredes “finas”. A regulagem do controle do Ajuste de Amortecimento para um período médio mais longo geralmente reduz a dispersão de dados de maneira satisfatória. Para melhor estabilidade, procure sempre usar o menor (mais baixo número de bitola) dos transdutores aceitáveis num tubo com baixa relação DE/P.

As instruções de montagem do transdutor incluem um método de redução de ruído para todos os tubos, inclusive os de baixa relação DE/P. Onde aplicável, este método realiza a absorção de ruído do tubo usando materiais comuns, como fita de duto. Pode-se obter uma redução de ruído de até 500% (com proporcional redução da dispersão de dados e desvio), se for usada fita de duto, de acordo com as instruções fornecidas com este sistema.

c) Acoplamento Transdutor-Tubo É essencial que os transdutores sejam corretamente acoplados ao tubo. Eles devem assentar-se sobre o

metal nu, de modo que é necessário que se removam quaisquer revestimentos, ou camadas, do exterior do tubo, no local de montagem. Qualquer substância que interfira com o contato direto (por exemplo, gelo em aplicações criogênicas) reduzirá a eficiência do transdutor. Portanto, deve-se tomar as medidas necessárias para evitar este tipo de ocorrência. 2.3. Condições de Fluxo

Muito raramente as condições de fluxo real são uniformes e previsíveis. Por conseguinte, o sistema

operacional 990 propicia considerável grau de controle sobre a estabilidade/agilidade na saída da taxa de fluxo. Ele é significativamente mais ágil no rastreio de transientes de Vs induzidas por ondas de pressão e se recuperará de um destrastreio de forma mais rápida e suave, que qualquer outro medidor de fluxo ultra-sônico.

a) Flutuação do Fluxo

A habilidade do medidor ultra-sônico em responder às flutuações de fluxo extremamente rápidas que caracterizam o fluxo “real” podem ser surpreendentes. Os medidores convencionais, especialmente os do tipo mecânico com a inevitável inércia que os caracteriza, não podem detectar flutuações rápidas. A velocidade de resposta do Sistema 990 é ideal para rastrear os rápidos transientes de fluxo. Porém, se este desempenho for desnecessário, você poderá usar os controles de salto vertical e amortecimento para regular a resposta de saída do sistema.

O controle de amortecimento monitora o número de amostras analisadas em conjunto para produzir a saída da taxa principal do instrumento. Ele varia entre 0,2 a 60 segundos. Não confundi-lo com a velocidade de atualização da saída analógica. Esta ocorre a cada 0,l segundos, independente do fator de amortecimento que for selecionado.

O controle da taxa de salto vertical propicia maior estabilidade sob taxas de fluxo estáveis, sem sacrificar a pronta resposta do sistema a rápidas mudanças de fluxo. O controle de Salto Vertical determina a velocidade, com a qual o sistema responde a uma real mudança no fluxo. A variável pode ser estabelecida em qualquer valor de 0-40 pés/seg2 .Observe que se você entrar com zero, o controle de salto vertical será desabilitado. Neste caso, o sistema usa apenas fatores de amortecimento.

Ao se habilitar o comando de salto vertical, o Sistema 990 rastreará e ajustará dinamicamente a dispersão instantânea de dados, comparando-a com a taxa instantânea de fluxo. O computador habilita o controle de salto vertical, sempre que a taxa de fluxo excede aos limites da banda de dispersão de dados. Isto faz com que a saída média de fluxo mude a um determinado máximo da taxa de salto vertical até se igualar à taxa instantânea medida (ou quando o sinal da diferença entre a taxa de fluxo média e instantânea é revertido). Neste ponto, o computador de fluxo aplica o fator de amortecimento selecionado em resposta a uma taxa de fluxo estável. Os fluxos reais podem produzir condições que fazem o instrumento mudar rapidamente de um estado de salto vertical para o de amortecimento. Seria bom que se fizesse uma experiência com os fatores de amortecimento e salto vertical para saber quais regulagens otimizam os dados coletados. Tome nota: se você não precisar de um resposta rápida do sistema, você sempre poderá desligar o comando de salto vertical, simplesmente entrando com zero (0) para a regulagem da taxa correspondente.

b) Baixas Vazões

A faixa de medição e resolução de fluxo do Sistema 990 ultrapassa à de qualquer outro tipo de medidor. Assim, ele opera magnificamente bem, tanto para aplicações de baixas, como de elevadas taxas de fluxo. Contudo, o uso de resolução mais alta na medição de baixa taxa de fluxo pode fazer com que a natural dispersão de dados se transforme num elevado percentual da leitura. Deverá ser levado em conta que esta aparente dispersão de dados é uma variação da velocidade do fluxo extremamente baixa. Uma vez que se trata de dispersão de dados, ela não contribuirá para nenhum erro de leitura do totalizador acumulada durante, pelo menos, vários minutos. Mas, se a taxa de fluxo do líquido for extremamente baixa (por exemplo, abaixo de 0,25 pés/seg), o desvio de zero minuto retido pelo sistema poderá provocar um visível declínio na performance. Se a sua aplicação envolver velocidades de fluxo extremamente baixas, seria interessante considerar o uso do nosso sistema de transdutor de baixo fluxo, ou então, a colocação de uma seção de tubo de diâmetro menor junto ao ponto de montagem do transdutor para aumentar a velocidade. Se o diâmetro de sua linha for de três polegadas (ou menos), então nosso sistema de Tubo de Fluxo 990DFT irá proporcionar o melhor serviço para a sua aplicação de baixo fluxo.

2.4 Preparação ou Instalação Imprópria da Área

O procedimento de instalação do Sistema 990 torna a Preparação na Área rápida e simples. Contudo, o sistema não pode proteger a si mesmo contra erros críticos de entrada de dados. Uma vez que a maioria dos menus ativa funções opcionais, pouquíssímãs categorias de dados podem afetar o desempenho do Sistema 990. Os parágrafos que se seguem relacionam as principais exceções.

a) Especificação Errônea de Tubo

A maioria dos parâmetros de aplicação importantes são o material do tubo e as dimensões deste. Um erro nesta informação poderia reduzir o desempenho do sistema. Um erro comum é a não correspondência dos reais parâmetros do tubo com as especificações dos desenhos da área. Portanto, se você suspeitar de uma discrepância na taxa de fluxo, deverá primeiro confirmar as entradas referentes ao diâmetro e espessura de parede do tubo (por exemplo, usando um calibre de espessura). Conforme observado antes, a saída imprecisa da Vs Medida geralmente indica dados errôneos de tubo.

b) Especificação Errônea do Líquido

Para a medição de fluxo volumétrico/de massa padrão, o Sistema 990 não pode acusar erro devido a uma

entrada incorreta do tipo de líquido, uma vez que ele detecta as propriedades do mesmo de maneira independente. Ele só usa a entrada de dados do líquido para predizer a localização inicial do transdutor. Se você der entrada num tipo de líquido incorreto, o computador poderá solicitar que o Transdutor do Índice Numérico seja movido de sua localização inicial durante o procedimento de montagem do mesmo.

Se for dada entrada numa Vs Conhecida errônea (velocidade de propagação sônica do líquido) durante a instalação do transdutor, ou se a Vs for ajustada a partir da Lista de Diagnósticos, poderá acontecer um ligeiro erro na taxa de fluxo. Portanto, somente altere o valor Vs, quando tiver certeza de que isso irá melhorar a precisão do sistema.

A viscosidade do líquido é outro fator importante. Ele rege o grau de compensação do Número de Reynolds aplicado à saída de fluxo. Portanto, se você der entrada num valor de viscosidade impreciso, isto poderá resultar em erros quanto aos dados do fluxo.

c) Montagem Imprópria do Transdutor

A montagem dos transdutores no tubo não é difícil. Contudo, ela exige absoluta observância das

instruções de montagem. Os pontos chave são: Procure SEMPRE montar os transdutores numa seção do tubo que apresente uma linha reta de, pelo

menos, dez diâmetros a montante e cinco diâmetros a jusante da localização selecionada. Use SEMPRE o tamanho de transdutor, ao qual você deu entrada durante a instalação deste. Use SEMPRE os índices de espacejamento Alfabético e Numérico confirmados. Verifique SEMPRE os transdutores e os cabos, quanto à correta direção a montante/jusante. Use SEMPRE composto de acoplamento recomendado pela Controlotron para o tipo de serviço e

ambiente encontrados (veja Tabela 5-4 do manual de operação). LEMBRE-SE de que uma mudança extrema nas condições de aplicação poderá disparar um Alerta de

Espacejamento. Isto exigirá que você mude o transdutor para um novo Índice Numérico, a fim de assegurar a precisão do sistema.

Verifique o Desenho de Instalação, para conferir as posições relativas dos Esbarros de Pinos e conectores.

NOTA: Os Transdutores de Fluxo 991 são vendidos em pares casados. Quando instalar os transdutores, certifique-se de que seus números de série combinam.

2.5 Perda de Ajuste do Zero

É necessário fazer-se o ajuste de fluxo zero, quando o sistema estiver sendo instalado. O programa

operacional apresenta dois procedimentos para se executar isto. Se as condições de aplicação permitirem que o fluxo seja interrompido, então você deverá usar o método do Zero Real. Se isto não for possível, você poderá usar a opção ReversaMatic, para estabelecer um ajuste do zero padrão - mesmo se uma condição de falha (tubo vazio, perda de força, etc.) desabilitar temporariamente o medidor de fluxo.

Após recuperação de uma falha, o medidor comanda o Processamento Inicial em Andamento para restaurar todos os parâmetros operacionais estabelecidos durante a instalação. Contudo, se o medidor chamar o Processamento Inicial em Andamento durante condições de líquido muito aeradas, é possível, embora remotamente, que o sinal de recepção possa ser mal registrado. Um mau registro de sinal geralmente exibe deslocamento do zero numa quantidade igual a um múltiplo integral de Vfmax (veja parágrafo 5.4.4 do manual de operação). Isto se tornará evidente, mesmo que o fluxo não seja zero na ocasião. Recomendamos que o registro de sinal seja verificado, se o alarme de Processamento [K] aparecer nas telas de Gráficos com LCD, ou o símbolo MAKEUP ficar iluminado nas telas Digitais LCD.

Se um aparente deslocamento for observado na leitura do fluxo, você deverá usar o procedimento de Re-registro abaixo descrito para corrigi-lo. O Re-registro permite que se aumente ou se diminua a saída da taxa de fluxo por meio de saltos de Vfmax.

Pode-se chamar o comando de Re-registro, a partir da Lista de Diagnósticos, sem que um Alarme de Processamento Inicial esteja ativado. Contudo, se a função Segurança estiver ativada, o computador de fluxo irá ignorar aquele comando. Será necessário usar o código de acesso para remover primeiro a Segurança.

3. Deficiência Geral de Desempenho

Baseamos as especificações de desempenho do nosso sistema na condutividade sônica do líquido e na

parede do tubo, bem como em outras condições de aplicação pertinentes. Obviamente, a diversidade que caracteriza o campo de fluxo dos líquidos, torna impossível quantificar todas as condições de aplicação possíveis.

Contudo, uma operação adequada depende principalmente da relação sinal-ruído do sinal de recepção em comparação com a amplitude do sinal e as variações do tempo de propagação. As informações que apresentamos nos parágrafos seguintes ajudá-lo-ão a identificar, definir e, freqüentemente, remediar as condições de aplicação que podem fazer o desempenho do sistema descer abaixo do nível elevado que geralmente é obtido.

a) Precisão

Geralmente, a precisão intrínseca do sistema 990 será melhor que 3% da taxa de fluxo (para taxas acímã

de 1 pé/seg.) e melhor que 0,03 pés/seg. (para taxas variando de 0 a 1 pé/seg.). Com a vantagem de calibração do fluxo, a precisão do Sistema ultrapassará a 1% e, com freqüência, alcançará 0,25%. Esteja atento para o fato de que, sob taxas de fluxo extremamente baixas, QUALQUER erro se aproxímã a um percentual infinito do fluxo verdadeiro!

A precisão poderá deteriorar, se o ruído da parede do tubo misturar-se com o sinal de rota do líquido. Comumente, isto não é detectável, até que a relação diâmetro do tubo-espessura de parede (DE/P) baixe aquém de 15:1. O ruído do tubo não afetará a precisão efetiva, até que DE/P desça para menos de 10:1. Isto se aplica, quando o líquido é um pobre condutor sônico, ou se a aeração produzir dispersão do feixe sônico. Nestas condições, pode-se melhorar a precisão, usando-se o transdutor primário recomendado, ou a menor das dimensões opcionais (se a CDU tiver mais de uma dimensão recomendada). Em tubos menores, (com diâmetro externo inferior a 3 polegadas), experimente o Índice de Espacejamento Alfabético “A” para montagem Direta do transdutor. Tente o índice de Espacejamento Alfabético “D” para montagem Refletida do transdutor. Pode-se, também, “absorver” o ruído da parede do tubo, usando-se composto, ou fita sonicamente absorvível, no exterior do mesmo (veja parágrafo 7.3.2.2 do manual de operação).

Se for feita uma entrada incorreta do valor da viscosidade do líquido durante a Preparação de Área, isto poderá conduzir a uma distorção da curva de compensação do perfil do líquido do sistema. De igual forma, entrando-se com dimensões incorretas do tubo, a precisão ficará passível de redução. Pode-se corrigir estes erros, simplesmente voltando-se para as células de menu apropriadas, e entrando-se com os valores corretos.

b) Estabilidade de Dados

Há dois fatores principais que influenciam a estabilidade de dados do sistema: . Dispersão de Dados . Desvios

b.1) Dispersão de Dados

A dispersão de dados é definida como uma variação relativamente rápida nas leituras do fluxo (num intervalo de cerca de 0.1 a 5 segundos). A dispersão de dados mínima (aproxímãdamente 0,01 0,03 pés/seg.) é um subproduto natural da computação digital que extrai diferença extremamente pequena no tempo de propagação

sônica Up vs. Down. Contudo, uma dispersão mínima de dados não influenciará o fluxo total integrado por períodos de duração tão curta, quanto diversos minutos. Naturalmente, ela será de um percentual maior da leitura, quando o medidor de fluxo medir taxas extremamente baixas.

Uma baixa condutividade sônica do líquido, ou do tubo, resulta em baixo sinal sônico que irá aumentar a dispersão de dados. De igual modo, a condutividade pode baixar, em virtude da ausência do composto de acoplamento do transdutor. Você deverá verificar o item nível de sinal (Valc) no Menu de Diagnóstico. Normalmente, um baixo valor Valc indica esta condição.

O Sistema 990 não apresenta inércia, uma vez que não possui partes móveis. De igual forma, ele faz as leituras dez vezes por segundo. Portanto, pode detectar e rastrear flutuações de fluxo extremamente breves, as quais estão além da capacidade de resposta dos medidores mecânicos convencionais. Este nível de desempenho será útil, se você precisar detectar transientes de fluxo muito rápidos e de curta duração, ou se você vier a usar o sistema para uma aplicação de laço de servo-controle de resposta rápida. Contudo, você poderá usar os controles de amortecimento e salto vertical (veja parágrafo 5.4.2 do manual de operação) para suavizar a resposta de saída, se desejar que o sistema ignore rápidas flutuações de fluxo.

b.2) Desvio

O desvio é semelhante à dispersão de dados, porque varia em torno de um valor fixo. Contudo, o desvio ocorre a uma taxa bem mais lenta (por exemplo, de um minuto a várias horas). O desvio excessivo por várias horas pode causar erros de totalização. Contudo, o esmerado design do Sistema 990 minimiza o desvio. A Controlotron empregou circuitos de modo comum em basicamente todas as áreas e evitou o uso de dispositivos analógicos passíveis de desvio ou de “laço de fase travada” em praticamente todos os circuitos primários de detecção de fluxo. De igual forma, fabricamos nossos transdutores patenteados, usando liga de metal especial que é aproxímãdamente treze vezes mais estável que o plástico convencional.

Se a baixa condutividade sônica do líquido reduzir a intensidade do sinal, poderá haver a indução de algum desvio devido à contaminação pelos sinais de condução das paredes do tubo. Isto acontece especialmente com tubos de pequeno diâmetro, com uma equivalente pequena relação de diâmetro-espessura de parede. Você poderá reduzir este tipo de desvio de maneira considerável, usando o índice de espacejamento “Alfabético A” para transdutores de Montagem Direta, ou índice de espacejamento “Alfabético D” para transdutores de Montagem Refletida. De igual modo, use a menor das escolhas de dimensões recomendadas para transdutores. A adição de composto especial, sonicamente absorvível na parede do tubo, também pode reduzir esse desvio (veja parágrafo 7.3.2.2 e Desenho de Instalação do manual de operação).

b.3) Repetição

Algumas aplicações poderão estipular a repetição como um requisito prioritário em comparação com a precisão absoluta. O sistema não possui histerése, ou mecanismos de desgaste, para afetar adversamente sua característica de repetição. O Sistema 990 oferece excelente freqüência de repetição em tubos de boa condutividade sônica e relação diâmetro-parede (maior que 10:1), quando se usa o composto de acoplamento de transdutor apropriado.

ANEXO II

VANTAGENS E DESVANTAGENS DOS MEDIDORES UTILIZADOS PARA MEDIR ÓLEO E ÁGUA NA E & P

BACIA DE CAMPOS

DESLOCAMENTO POSITIVO

VANTAGENS DESVANTAGENS

- MEDE DIRETAMENTE A VAZÃO VOLUMÉTRICA;

- PRECISÃO DE ± 0,5 A ± 1 % DO VALOR MEDIDO;

- REPETIBILIDADE DE ± 0,05 %;

- ALTA RANGEABILIDADE ( 15 : 1 );

- O PERFIL DE VELOCIDADE NO FLUIDO NÃO AFETA O DESEMPENHO DE MODO QUE O MEDIDOR PODE SER COLOCADO PRATICAMENTE EM QUALQUER PARTE DA TUBULAÇÃO;

- TRABALHA MUITO BEM COM FLUIDOS VISCOSOS.

- MEDE VOLUME NAS UNIDADES REAIS, REFERIDAS ÀS CONDIÇÕES DE PROCESSO. DEVEM SER FEITAS CORREÇÕES CONTINUAMENTE DE TEMPERATURA E PRESSÃO;

- DEVE SER PERIODICAMENTE CALIBRADO NAS MESMAS CONDIÇÕES DE PROCESSO QUE TRABALHA USUALMENTE;

- DEVE TRABALHAR COM FLUIDO LIMPO, NÃO DEVE CONTER PARTÍCULAS ABRASIVAS ( AS PARTÍCULAS ABRASIVAS DEGRADAM A PRECISÃO DO MEDIDOR E ENCARECEM A MANUTENÇÃO );

- CUSTO MÉDIO DA MANUTENÇÃO CORRETIVA (SMITH): US$ 15000,00;

- CUSTO ALTO DE AQUISIÇÃO;

- CONTÉM PARTES MÓVEIS ( MAIOR PROBABILIDADE DE DEFEITOS ).

TURBINA

VANTAGENS DESVANTAGENS

- ALTA PRECISÃO;

- LINEARIDADE DE ± 0,25 % DO VALOR MEDIDO;

- REPETIBILIDADE DE ± 0,02 % DO PONTO;

- ALTA RANGE 10:1 A 100:1 ( PROJETOS ESPECIAIS );

- USADO COMO PADRÃO SECUNDÁRIO PARA CALIBRAÇÃO/ AFERIÇÃO DE OUTROS MEDIDORES.

- DEVE TRABALHAR COM FLUIDOS LIMPOS E POUCO VISCOSOS;

- DEVE SER PERIODICAMENTE CALIBRADO NAS MESMAS CONDIÇÕES DE OPERAÇÃO E COM O MESMO FLUIDO;

- EXIGE TRECHO RETO A MONTANTE E A JUSANTE;

- DEVE TRABALHAR COM FLUXO EM REGIME TURBULENTO;

- ACIMA DE 1 CST DE VISCOSIDADE A LINEARIDADE DA TURBINA DEGRADA PROGRESSIVAMENTE. PARA VISCOSIDADE ACIMA DE 100 Cst A TURBINA NÃO APRESENTA MAIS REGIÃO LINEAR;

- DEVE TRABALHAR COM FLUIDO LIMPO, NÃO DEVE CONTER PARTÍCULAS ABRASIVAS ( AS PARTÍCULAS ABRASIVAS DEGRADAM A PRECISÃO DO MEDIDOR E ENCARECEM A MANUTENÇÃO );

- CONTÉM PARTES MÓVEIS ( MAIOR PROBABILIDADE DE DEFEITOS ).

PLACA DE ORIFÍCIO

VANTAGENS DESVANTAGENS

- BAIXO CUSTO;

- POUCA MANUTENÇÃO;

- FÁCIL DE CONFECCIONAR;

- BOA REPETIBILIDADE.

- BAIXA RANGEABILIDADE ( 3:1 );

- EXIGE TRECHO RETO A MONTANTE E A JUSANTE;

- ERRO DE ± 3 A ± 5 % DO FUNDO DE ESCALA;

- DEVE TRABALHAR COM FLUIDOS LIMPOS.

ULTRA - SÔNICO

VANTAGENS DESVANTAGENS

- ALTÍSSIMO RANGE DE OPERAÇÃO ( 1000 : 1 );

- BAIXO CUSTO;

- FÁCIL DE INSTALAR;

- COMPLETAMENTE EXTRUSIVO A LINHA;

- NÃO NECESSITA DE OBRA PARA SER INSTALADO;

- PODE SER INSTALADO EM LINHAS DE 0,5 A 360”;

- PERDA DE CARGA ZERO;

- DEMANDA NO MÍNIMO 10D A MONTANTE E 5D A JUSANTE;

- ACEITA PAREDES DE TUBO REVESTIDAS DESDE QUE SE CONHEÇA O MATERIAL DO REVESTIMENTO, SEJA BOM CONDUTOR SONORO E SE TENHA A ESPESSURA DO MESMO.

- ERRO VARIA DE ± 1 A ± 3 % DO VALOR MEDIDO, LOGO NÃO SERVE PARA SER INSTALADO NO SEPARADOR DE TESTE;

- LÍQUIDOS QUE CONDUZEM MATÉRIA NA FORMA DE PEQUENAS PARTÍCULAS DIFUSAS DE NATUREZA SÓLIDA (20%), NÃO HOMOGÊNEA OU GASOSA(30%), PODEM DISPERSAR O FEIXE ULTRA-SÔNICO;

- DEMANDA NO MÍNIMO 10D A MONTANTE E 5D A JUSANTE;

- EXIGE RELAÇÃO ENTRE O DIÂMETRO EXTERNO DA PAREDE E A ESPESSURA DA MESMA NA RAZÃO DE 10:1;

- INCRUSTAÇÕES PODEM INVIABILIZAR A MEDIÇÃO;

- APRESENTAM PROBLEMAS COM FLUIDOS ALTAMENTE VISCOSOS (ATENUAÇÃO SÔNICA);

- A TUBULAÇÃO TEM QUE ESTÁ COMPLETAMENTE PREENCHIDA PELO FLUIDO;

- OS TRANSDUTORES NÃO PODEM SER MONTADOS SOBRE UMA COSTURA DE TUBO OU ÁREA INTERROMPIDA;

- NÃO ACEITA CAMADAS DE REVESTIMENTO QUE POSSUAM BOLSAS DE AR.

MÁSSICO

VANTAGENS DESVANTAGENS

- ALTA RANGEABILIDADE ( MAIOR QUE 25 : 1 );

- MUITO PRECISO ( ± 0,2 % a ± 0,5 % DO VALOR MEDIDO );

- NÃO POSSUI PARTES MÓVEIS;

- CUSTO DE MANUTENÇÃO PEQUENO;

- MEDE MASSA, QUE COMO PADRÃO FUNDAMENTAL, NÃO DERIVA SUAS UNIDADES DE MEDIDA DE QUALQUER OUTRA FONTE. AS VARIAÇÕES DE TEMPERATURA, PRESSÃO, VISCOSIDADE, DENSIDADE, CONDUTIVIDADE ELÉTRICA OU TÉRMICA E O PERFIL DA VELOCIDADE NÃO AFETAM A MASSA.

- NÃO SERVE PARA EXPORTAÇÃO (A PERDA DE CARGA NO MESMO FICA GRANDE);

- NECESSITA DE PEQUENO TRECHO RETO A MONTANTE E A JUSANTE.

MAGNÉTICO

VANTAGENS DESVANTAGENS

- NÃO TEM PARTE MÓVEL;

- PRECISÃO DE ± 0,5 A ± 2 % DO VALOR MEDIDO;

- CUSTO DE ENERGIA E MANUTENÇÃO BAIXO;

- PERDA DE CARGA QUASE NULA;

- MEDE FLUIDOS DIFÍCEIS E CRÍTICOS, CORROSIVOS, VISCOSOS, SUJOS, ABRASIVOS E COM SÓLIDOS EM SUSPENSÃO;

- NÃO HÁ NÚMERO DE REYNOLDS MÍNIMO E NEM LIMITES DE VISCOSIDADES;

- APRESENTA ALTA SENSIBILIDADE, PRECISÃO E ESTABILIDADE;

- A CALIBRAÇÃO DO SISTEMA NÃO É AFETADA PELA VARIAÇÃO DA CONDUTIVIDADE, DENSIDADE, TURBULÊNCIA E VISCOSIDADE DO FLUIDO;

- BOM RANGE ( 10 : 1 ).

- CUSTO PODE SER ALTO ( FUNÇÃO DO TAMANHO E CONSTRUÇÃO );

- NECESSITA DE PEQUENOS TRECHOS RETOS ( 5 D A MONTANTE E 3 D A JUSANTE );

- NÃO MEDE PETRÓLEO DEVIDO A BAIXA CONDUTIVIDADE ELÉTRICA DO MESMO (< 7µS/cm);

- DEVE SER AFERIDO PERIODICAMENTE;

- O FLUIDO DEVE SER CONDUTOR ELÉTRICO E NÃO MAGNÉTICO.

MEDIDORES USADOS NA MEDIÇÃO DE ÓLEO E ÁGUA NA E & P BACIA DE CAMPOS

ELEMENTO DE

MEDIÇÃO

SERVIÇO RECOMENDADO

RANGE

PRECISÃO NORMAL

MÍNIMO TRECHO

RETO RECOMENDADO

PREÇO DO

MEDIDOR DE 3” [ US$ ]

PLACA DE ORIFÍCIO

FLUIDOS LIMPOS

3 : 1

± 5 % DO FE

20D MONT.

5D JUSANTE

8.000,00

DESLOCAMENTO

POSITIVO

LÍQUIDOS LIMPOS E VISCOSOS

15 : 1

± 0,5 % DO VM

NENHUM

15.000,00

TURBINA

FLUIDOS LIMPOS E POUCO VISCOSOS

10 : 1

± 0,5 % DO VM

PARA LÍQUIDOS

10D a 20D MONT.

5D JUSANTE

10.000,00

MÁSSICO

( CORIOLIS )

FLUIDOS LIMPOS, VISCOSOS E NÃO- NEWTONIANOS

25 : 1

± 0,2 A ± 0,4 %

DO VM

NENHUM

(MICROMOTION)

17.000,00

ULTRA-SÔNICO

LIQUÍDOS LIMPOS, COM BAIXA % DE SÓLIDOS EM SUSPENSÃO (< 20 %) E COM POUCO GÁS ( < 30 % )

1000 : 1

± 1,5 A ± 3 %

DO VM

10 D MONTANTE

5D JUSANTE

13.500,00

MAGNÉTICO

FLUIDOS DIFÍCEIS E CRÍTICOS,CORROSIVOS,VISCOSOS, SUJOS,ABRASIVOS E COM SÓLIDOS EM SUSPENSÃO. EXIGE UMA CONDUTIVIDADE DE NO MÍNIMO 7 µS/cm.

10 : 1

± 0,5 A ± 2 %

DO VM

5D MONT.

3D JUSANTE

4.000,00

OBS.1 : VM = VALOR MEDIDO

FE = FUNDO DE ESCALA OBS. 2 : fluido não newtoniano é aquele cuja viscosidade não é constante com relação a taxa de cisalhamento e

com o tempo.

ANEXO III

PROCEDIMENTOS E CUIDADOS

QUE DEVEM SER TOMADOS COM

MEDIDORES DE DESLOCAMENTO

POSITIVO

Os medidores de deslocamento positivo tem apresentado uma série de problemas.

Entretanto, muitos desses problemas são causados por falhas de operação. Procedimentos que podem causar danos nos medidores :

- abertura rápida das válvulas a montante e juntante do medidor na partida e parada; - não utilização do "by-pass" na partida e parada; - falta de limpeza e operação; - permitir a passagem de gás e líquido alternadamente pelo medidor; - falta de lubrificação das engrenagens e totalizador; - ajuste inadequado do controlador de nível do separador, gerando sobrevelocidade no medidor; - operação no limite ou acima da vazão máxima de projeto do medidor. PROCEDIMENTO OPERACIONAL

Cada plataforma deve estabelecer os seus procedimentos operacionais, baseado na suas instalações, tomando por base as seguintes recomendações : - na partida, após o vaso separador estar em condições normais de pressão e nível, iniciar a

abertura da válvula a montante lenta e gradativamente, evitando que o diferencial de pressão origine impactos no mecanismo interno. Logo após iniciar a abertura, também lentamente, da válvula a jusante. Esse procedimento facilita a expulsão do ar ou gás que porventura esteja alojado na parte superior do mecanismo interno, fazendo com que o eixo de transmissão para o totalizador comece a girar suavemente até atingir a velocidade normal. A válvula a jusante deve ser mantida estrangulada até que todo o ar ou gás seja extraído do medidor;

- na parada, após o vaso separador estar fora de operação, fechar a válvula a jusante e depois a

montante, garantindo que o medidor esteja na mesma pressão do separador; - nas instalações que possuem "by-pass", após a estabilização do fluxo através do mesmo,

proceder conforme citado acima. O "by-pass" é importante na partida do sistema, na parada, na limpeza de filtros e para manutenção do medidor;

- periodicamente drenar o medidor através de uma tomada na parte inferior para a retirada de

sedimentos e água que se alojam abaixo do rotor; - periodicamente verificar e limpar o filtro instalado a montante do medidor. Nunca operar sem

filtros; - periodicamente verificar e colocar glicerina líquida no compartimento do calibrador de folgas.

A falta de glicerina provoca ressecamento do calibrador, o qual poderá sofrer danos; - periodicamente verificar o nível real do vaso pois, as impurezas ou o excesso de gás no óleo

pode indicar um nível falso ou visor, podendo acarretar a passagem de gás pelo medidor, trazendo como consequência uma sobrevelocidade do mecanismo interno e corrosão das palhetas. A solução é fechar momentaneamente a válvula de saída de óleo, confirmar o nível real do vaso e alterar o "set-point" do controlador, fazendo com que o nível passe a operar num ponto mais alto. Outra solução é aumentar a injeção de anti-espumante;

- verificar e aplicar graxa, periodicamente, no compartimento das engrenagens de transmissão

que liga o interior do medidor com o totalizador; - se os digitos começarem a prender ou apresentarem folgas, retirar o totalizador imediatamente,

encaminhando-o para manutenção; - nunca zerar o totalizador com o medidor em operação porque, nesse caso, o movimento é

contrário ao gerado pelo fluxo; - sempre que aparecer petróleo no compartimento das engrenagens o eixo de transmissão deve

ser verificado e possivelmente substituído; - procurar ajustar corretamente o ganho do controlador de nível do separador pois, quando o

mesmo está com pouco ganho, isto é pouco sensível as vazões instantâneas de entrada de óleo no vaso, há uma demora na resposta final enviada pelo controlador, fazendo com que o nível suba e o excesso de líquido seja descarregado, gerando uma sobrevelocidade no medidor;

- quando existem vasos com altas vazões, procurar não colocar juntos, poços com altas vazões

interminentes, evitando a sobrevelocidade do medidor. Na impossibilidade verificar o valor desse volume máximo instantâneo comparar com a capacidade máxima do medidor e se for o caso, substituí-lo por outro de maior capacidade;

- retirar o mecanismo interno do medidor quando a tubulação for testada hidrostaticamente; - quando estiver fora de operação por muito tempo, usar óleo lubrificante em abundância; - ocorrendo a limpeza frequente dos filtros, pode ser sinal de que não existe mais espaço no vaso

para a deposição de areia entre e saída de óleo, sendo necessária a limpeza do separador, evitando inclusive danos em outros equipamentos;

- quando há desgaste na válvula de controle de nível e se retira o vaso de operação, a pressão

sobre o líquido ou a pressão hidrostática faz com que o nível abaixe. Ao se recolocar o vaso em operação sem verificar previamente o nível e estando as válvulas de saída abertas ocorre um fluxo instantâneo pelo medidor, podendo danificá-lo. Nesse caso deve ser fechada uma válvula de bloqueio manual, até que o nível esteja normal, providenciando a seguir o reparo da válvula controladora;

- certifique-se que a vazão e pressão esperada esteja dentro do range dos medidores (a média da

vazão horária deve estar, no máximo, em 80% da vazão máxima do medidor); - a limpeza de filtro e imprescindível. Estabeleça periodicamente de limpeza, que dependerá das

características inerentes do líquido medido e do sistema; - by passe ( isole ) o medidor, quando: a) houver shut down;

b) abertura de poço ou qualquer outra ocorrência que provoque instabilidade significativa no processo;

c) quando houver suspeita de passagem de gás; d) para limpeza do filtro; e) quando a tubulação for limpa com fluxo de qualquer líquido; f) quando a vazão estiver fora do range do medidor; - quando existir mais de um medidor em paralelo, tenha cuidado quando parar um dos medidores

para não sobrecarregar os demais. Se acontecer, by passe todo o trem de medição; - purgue o medidor quando houver passagem ou suspeita de passagem de gás; - nunca permita que um medidor fique em stand by com água em seu interior. Drene, após a

parada do mesmo; - abra o medidor para verificação das partes móveis após a passagem de 100.000 m3 de óleo; - fazer, quando possível, rodizio dos medidores. ANÁLISE DAS INSTALAÇÕES - verificar a adequação do atual sistema de filtragem e estudar alternativas que visem minimizar a

passagem de areia pelos medidores, como por exemplo: usar dois filtros (primário e secundário), utilizar medidor de pressão diferencial, utilizar outro sistema de filtração etc;

- instalar "by-pass" nos medidores e filtros que ainda não o possuem; - analisar a viabilidade de instalar um sistema de purga de ar ou gás. A SULCARNOVA fabrica esse sistema, com instalação no filtro.

ANEXO IV

HISTÓRICO DA

MEDIÇÃO NA

E & P BACIA

DE CAMPOS

GEINP/GEIN-N REINALDO SERFATY MAT. 033202.0 27/05/95 REV. 02

HISTÓRICO DA MEDIÇÃO NA E & P BACIA DE CAMPOS 1-INTRODUÇÃO

A medição de vazão de líquidos passou a ter uma importância muito grande na E & P Bacia de Campos a partir de 1989 ( GT - OS 163 / 89 ), quando foi constatado que :

- estava sendo gasto US$ 1.330.000,00 / ano em manutenção dos medidores instalados nas plataformas marítimas ( medidores de deslocamento positivo );

- o fornecedor deste tipo de medidor tinha exclusividade de mercado ( SULCARNOVA ).

2- ORIENTAÇÕES

Baseado neste GT, foram dadas as seguintes orientações pela gerência :

- desenvolver novos produtos e fornecedores, utilizando princípios de funcionamento diferentes de deslocamento positivo;

- diminuir os custos de manutenção e aquisição dos medidores; - melhorar a qualidade dos medidores já utilizados.

3- ATIVIDADE DE MEDIÇÃO NA DIROL

3.1- FASE 1 ( 1991 até setembro de 1992 )

Em 1991, foi criada a atividade de medição na DIROL, sob a coordenação dos engenheiros Helieno e Alvarez .

Durante esta fase foram desenvolvidos os seguintes trabalhos:

- estudos genéricos de diversos tipos de medidores de vazão; - levantamento de todos os medidores instalados nas plataformas nas linhas de óleo e de água; - feitos contatos com diversos fabricantes de medidores; - especificado o medidor mássico para a P-20; - especificadas oito placas de orifício para medir as exportações das plataformas; - elaborado um manual de operação de medidores de deslocamento positivo.

3.2- FASE 2 ( outubro de 1992 até fevereiro de 1995 )

Em outubro de 1992, o engenheiro Reinaldo Serfaty assumiu os estudos de medição. Como não tinha a menor experiência em medição, foi providenciado para o mesmo um curso genérico de medição no NTT ( Núcleo de Treinamento Tecnológico ) de 40 horas, curso este que o autor não recomenda, pois ele concentra muito tempo ( três dias ) em projeto de placa de orifício sem o uso de um “software”, o que acarreta enorme perda de tempo. Após o curso, passou a ser o coordenador da medição de toda E & P Bacia de Campos tendo como parceiros a DIOP e a DIMAN.

Durante o período em que esteve coordenando o assunto ( outubro de 1992 até fevereiro de 1995 ) as seguintes coisas foram feitas:

- aquisição de 75 % do material teórico de medição existente hoje na GEINP; - 5W1H do processo de medição; - elaborado o fluxo de ação da medição;

- análise dos erros cometidos pelas placas de orifício; - analisado a performance do medidor mássico de P-20; - análise dos pontos onde deveriam ser instalados medidores mássicos; - feito treinamento de cerca de 120 operadores de produção e atop’s em 4 cursos de medição

patrocinados pelo SETRE; - participação no I SEMINÁRIO DA DIROL com o trabalho “Medição Dinâmica na RPSE”; - emitido 7 relatórios de medição; - 15 reuniões de medição entre DIOP’s, DIMAN e DIROL; - 36 especificações técnicas de medidores de vazão ( 18 medidores mássicos, 1 provador

compacto, 1 turbina, 11 placas de orifício e 5 medidores ultra-sônicos ); - visita para coleta de dados sobre EMED’s ( estações de medição ) e provador compacto na

ASFOR; - elaboração do relatório sobre o uso de provador compacto no Ponto A; - feito palestra para a DIROL / SEPET para planejar a passagem de serviço para o mesma, uma

vez que a tecnologia dos medidores que estão sendo usados na E & P já estava consolidada ( mássico, ultra-sônico, turbina, deslocamento positivo, magnético e placa de orifício );

- emitido três relatórios sobre medidores ultra-sônicos; - diretrizes sobre medição de exportação e teste de óleo; - passado em detalhes todas as técnicas de seleção, dimensionamento e especificação técnica

dos medidores de tecnologias já consolidadas em 1994 ( deslocamento positivo, turbina, mássicos, placa de orifício e ultra -sônico ) para 4 técnicos da DIROL.

3.2.1- SALDO DE CABIÚNAS

Em março de 1992, foi detectado que estava sendo informado uma produção maior do que a produção recebida pelo terminal de Cabiúnas e que estava havendo uma deficiência na otimização da produção. A causa era a baixa confiabilidade das medições da plataformas. As principais consequências eram :

- incremento descontrolado no deficit;

- pagamento indevido de royalties;

- deficiência no acompanhamento;

- prejuízo na explotação dos reservatórios.

Foi iniciado estudos do uso de provadores compacto nas plataformas centrais e no Ponto A e descoberto que:

- os medidores de exportação dificilmente podem ser calibrados “in loco” devido às altas vazões ( logo é necessário que se acredite que as calibrações feitas nas fábricas em condições de operação diferentes daquelas das plataformas é a correta );

- as manutenções feitas nos mesmos são de natureza corretiva.

Portanto as medições feitas nos terminais de Cabiúnas e de São Sebastião foram consideradas como corretas e oficiais. Com isto, os estudos do uso do provador compacto nas plataformas centrais e/ou no Ponto A mostraram que o mesmo seria anti-econômico e os dados que seriam gerados teriam baixo valor técnico.

3.3- FASE 3 ( a partir de fevereiro de 1995 )

Os técnicos Ricardo Pessanha e Geraldo lotados na DIROL / SEPET assumiram a atividade de medição.

A medição multifásica, pelo fato de ser de tecnologia não consolidada, continuava sendo acompanhada pelo engenheiro Reinaldo.

3.4- FASE 4 ( a partir de julho de 1995 )

Foi determinado pela gerência o retorno do engenheiro Reinaldo ( em processo de transferência para o Rio de Janeiro ) à atividade de medição, a continuidade do ATPP Ricardo Pessanha e a saída do ATPP Geraldo para o GEIN-SUL. O engenheiro Célio assumiu as novas tecnologias de medição de gás e os ATOP´s da GECPRO Jorge Cláudio, Eurico, João Carlos e Rui entre outras atividades atendem à medição de gás convencional.

Foram especificados para medição de óleo e água : • medidores ultra-sônicos para PCH-1, PNA-2, PCE-1 (relocados um para SS-06 e um para

PPM-1), PPG-1, P-09, P-21; • medidores mássicos para PCE-1, PPM-1, PCP-2, P-18 e P-22; • uma placa de orifício para SS-06; • um medidor de DP para P-12.

Participação do ATPP Ricardo Pessanha e engenheiro Reinaldo no curso de metrologia em laboratório. Participação do ATPP Ricardo Pessanha no Curso de Medição do professor Marco Antônio Ribeiro.

Negado pela gerência a participação dos técnicos Ricardo e Reinaldo no II Simpósio Brasileiro de Medição de Vazão ( março de 1995 ) e Cálculo de Incerteza em Medição de Vazão ( a ser realizado em junho de 1996 ) ambos oferecidos pelo IPT ( Instituto de Pesquisas Tecnológicas ). 4- DISTRIBUIÇÃO DE TAREFAS NA ATIVIDADE DE MEDIÇÃO

RESPONSABILIDADE TAREFAS ATÉ FEV. DE

1994 DEPOIS DE MAR. / 1994

DEPOIS DE JULHO DE 1995

ESTUDAR, ANALISAR, ESPECIFICAR E EMITIR PARECERES TÉCNICOS.

DIROL DIROL GEINP

PRESTAR ASSISTÊNCIA TÉCNICA A DIOP/ DIREN. DIROL - - PRESTAR ASSESSORIA TÉCNICA A DIOP/ DIREN. - DIROL GEINP ANALISAR O DESEMPENHO DOS MEDIDORES A NÍVEL MACRO.

DIROL DIROL GEINP

FAZER VISITAS TÉCNICAS. DIROL DIROL GEINP/NUPRO´SMINISTRAR CURSOS DE MEDIÇÃO. DIROL DIROL GEINP ANÁLISE DE MEDIDORES ALTERNATIVOS AOS USUAIS.

DIROL DIROL GEINP

ORIENTAÇÃO DO(S) TIPO(S) DE MEDIDOR(ES) A SER(EM) INSTALADO(S).

DIROL DIROL GEINP

DECISÃO DO TIPO DE MEDIDOR A SER INSTALADO.

DIROL DIOP’S NUPRO´S

FONTE DE DADOS. DIROL / DIOP’S DIROL / DIOP’S

NUPRO´S

MANTER ATUALIZADO O CADASTRO DE MEDIDORES.

DIROL DIOP’S GEINP

SER RESPONSÁVEL PELA OPERACIONALIDADE DOS MEDIDORES.

DIROL DIOP’S NUPRO´S

ELABORAR SEP’S DIROL DIOP’S NUPRO´S EMISSÃO DOS RELATÓRIOS DE MEDIÇÃO DIROL DIOP’S -

ARQUIVAMENTO DO REGISTRO DESCRITIVO DE FALHA (RDF).

DIROL DIOP’S -

LIBERAÇÃO DE SOT’S DE MEDIDORES. DIROL DIOP’S NUPRO´S

5- PLANO DE CAPACITAÇÃO DE TÉCNICOS EM METROLOGIA 1a Fase: Curso Básico de Metrologia com Eng. Reinaldo Serfaty Programa : histórico de medição da E & P Bacia de Campos, diretrizes de medição, noções de

desempenho e calibração de instrumentos, medição de vazão, sistema com pressão diferencial, medidor de turbina, medidor de deslocamento positivo, medidor mássico, medidor magnético, medidor ultra-sônico de tempo de trânsito, especificação técnica dos medidores utilizados pela E & P B. C.

Carga horária : 40 horas. 2a Fase: Capro 36 - Medição de Vazão Programa : quantidade física, classificação das quantidades, faixa das variáveis, viscosidade,

densidade, pressão, temperatura, mecânica de fluidos, vantagens da instrumentação, medição das variáveis, sistemas de instrumentação, computador digital de processo, segurança na instrumentação, sensores, condicionadores do sinal, apresentação do sinal, controle da vazão, válvulas de controle, chave de vazão, saída elétrica, conceito de vazão, tipos de vazão, perfil da velocidade, distúrbios na medição, medidores de vazão, seleção e aplicações dos medidores, desempenho do instrumento, erros da medição, calibração dos instrumentos, padrões, sistema de pressão diferencial, turbina, medidor magnético de vazão, medidor de deslocamento positivo, rotâmetro de área variável, medidor de vazão vortex, medidor de vazão coriolis, medidor de vazão ultra-sônico, medidor de vazão termal, medidor de vazão tipo alvo e bomba dosadora de vazão.

Carga horária : 40 horas FASE 3 : CAQUI 04 - Metrologia Aplicada a Laboratório Programa : acuidade, dispersão, desgaste, padrão, calibração, certificação, cadeia de padrões,

categorias de padrões, rastreabilidade, confiabilidade, validade da aferição, validade de calibração, validade de certificação, normas e procedimentos metrológicos.

Carga horária : 32 horas.

Fase 4 : Curso de Cálculo de Incerteza em Medição de Vazão organizado pelo IPT ( Instituto de Pesquisas Tecnológicas) proferido pela Dra. Jane Sattary da ( NEL - National Engineering Laboratory ). Programa : padronização de métodos de avaliação de incerteza, conceitos fundamentais,

terminologia, cálculos básicos, incerteza na medição de uma única medição de vazão, combinação de incertezas, exemplo de incerteza numa medição única de vazão-placa de orifício, identificação de fontes de incerteza, utilização de gráficos, ajuste de curvas e escolha do grau de ajustes, estimativa de incerteza em gráficos, incerteza na calibração de medidores de vazão, exemplo de incertezas em calibração de medidores, exemplo de calibração de medidores contra padrões primários e secundários, exemplo de incerteza numa constante de calibração, “outliers tests”, testes de intercomparação e avaliação de dados, qualidade assegurada, padrões nacionais, padrões de transferência e rastreabilidade.

Carga horária : 24 horas.

6- PLANOS FUTUROS

Existem uma série de trabalhos que em uma visão de médio e longo prazo devem ser realizados pela atividade de metrologia a fim de tornar a nossa medição mais confiável. Dentre eles podemos destacar :

a) Analisar de forma independente a malha de teste e exportação de cada plataforma através de embarques, fotos, isométricos com cotas, tanque de aferição;

b) Padronizar os métodos de calibração dos medidores e teste dos poços;

c) Levantar de que forma é feita e quem faz o fechamento da exportação junto à Cabiúnas e São Sebastião;

d) Saber quais são as formas de medição em tanque dos NT’s e adquirir material teórico;

e) Estabelecer junto aos fornecedores rotina de calibração dos medidores mássicos, deslocamento positivo, turbina, magnético e ultra-sônico;

f) Analisar para cada plataforma a viabilidade de comparação entre os somatórios do teste e a vazão de exportação;

g) Estudo da possibilidade de eliminação do tanque de aferição nos novos projetos;

h) Interligar medidores com o sistema ECO’s;

i) Viabilização de aferição de medidores de exportação de óleo com medidores “master”;

j) Levantamento de histórico de falhas dos novos medidores ( mássicos, ultra-sônicos, engrenagens ovais );

De posse destes dados será elaborada a malha com circuito real de medição integrando a medição de teste, separadores de produção e exportação das plataformas da E & P Bacia de Campos e será promovido a aproximação entre a E & P Bacia de Campos e técnicos de fora do ambiente PETROBRAS ( IPT, NIST, NEL ... ) para o estudo do plano calibração de medidores, estabelecendo as incertezas de medição das plataformas individualmente e da malha de medição como um todo. A participação de técnicos externos é fundamental uma vez que nós não temos experiência e conhecimento para um estudo deste porte e com esse grau de complexidade.

7- CONCLUSÕES, RECOMENDAÇÕES E COMENTÁRIOS

A medição de óleo e água na E & P Bacia de Campos está definida sobre o que se espera da exportação e teste levando em conta apenas a precisão do medidor quando o mesmo é testado nos laboratórios dos fornecedores, desconsiderando a sua perda de precisão ao longo do tempo (decisão tomada pelo grupo de trabalho envolvendo técnicos do poço, exportação e de medição que elaborou o trabalho “Diretrizes de Medição, 1994”. É bom lembrar que naquela ocasião a superintendência de produção achou que caberia aos técnicos envolvidos tomar as decisões que a meu ver seriam mais gerenciais do que técnicas).

É interesssante que quando se discuta medição nunca seja esquecido que :

• não existe medidor universal ( medidor que sirva para todos os casos );

• para selecionar um medidor é necessário que sempre se considere : o custo, dados de processo confiáveis e o qual o desempenho esperado para os medidores;

• não faz sentido nenhum falar de precisão da medição de teste e da exportação de óleo, pois os medidores da E & P não são calibrados nas mesmas condições de operação ( os medidores são calibrados nos fabricantes com água ) e a manutenção dos medidores em geral são de caráter corretivo. Sabe-se que na medição de teste são feitas calibrações em relação aos tanques de aferição ( que a rigor não calibra nada, pois apenas fornece o fator de encolhimento do óleo ), porém na exportação nem isto podemos fazer em virtude dos volumes envolvidos.

A realização do exposto no item “6-PLANOS FUTUROS”, depende fundamentalmente na tomada clara e objetiva de decisões gerenciais, tais como :

• decidir se as informações prestadas por Cabiúnas será tomada como verdade sempre ou se iremos perseguir uma melhoria no nosso sistema que permita uma melhor avaliação do Saldo para Cabiúnas;

• dizer claramente se pretendemos ter uma medição qualitativa ( a que fazemos hoje em dia ) ou quantitativa (medição comprovada através de provadores, medidores master, métodos gravimétricos e volumétricos certificados por órgãos rastreados por padrões nacionais e internacionais);

• dizer claramente o que se espera da medição de teste e exportação em termos de precisão e exatidão;

• dizer quanto se pretende investir em treinamento interno e externo dos técnicos da E & P Bacia de Campos;

• dizer quanto nos teremos para investir em obras visando a melhoria da medição.

Sabemos que as tomadas de decisões acima são complexas, envolvendo uma série de variáveis tanto políticas como técnico-econômicas. Porém a ausência das mesmas retira todos os horizontes de trabalho em metrologia, fazendo com que permaneçamos coletando apenas números sem o menor sentido metrológico e a comprar medidores de vazão que depois que são colocados em operação, só Deus sabe o que de fato deveriam estar medindo.

ANEXO V

ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA

A SELEÇÃO DO MEDIDOR IDEAL É FUNÇÃO DOS CUSTOS, DADOS DE PROCESSO E DESEMPENHO DESEJADO.

Escolha as características que são fundamentais para a sua seleção, some as notas. O que apresentar nota maior é o medidor ideal para o seu processo. a) MEDIÇÃO DE TESTE

CARACTERÍSTICAS DESLOCAMENTO POSITIVO MÁSSICO RANGE ALTO 1 2

PRECISÃO 1 2 SEM TRECHO RETO A

MONTANTE E A JUSANTE 2 2

NÃO TER PARTES MÓVEIS 0 2 CUSTO DE MANUTENÇÃO 1 2 PODER MONITORAR BSW 0 2

CUSTO DE AQUISIÇÃO 1 2 GERAR PERDA DE CARGA 2 1

NECESSIDADE DE CALIBRAÇAO

1 2

TRABALHAR BEM COM FLUIDOS VISCOSOS

2 2

b) MEDIÇÃO DE EXPORTAÇÃO

CARACTERÍSTICAS D.P MAS. TURB. ULTRA. PLACA

RANGE 3 4 2 5 1 PRECISÃO 4 5 4 3 2

NECESSIDADE DE TER TRECHO RETO A MONTANTE E A JUSANTE

5 4 2 2 1

NÃO TER PARTES MÓVEIS 1 4 2 5 3 CUSTO DE MANUTENÇÃO 1 4 2 3 5 PODER MONITORAR BSW 0 5 0 0 0

CUSTO DE AQUISIÇÃO 1 2 3 4 5 MENOR PERDA DE CARGA 3 1 3 5 1

NECESSIDADE DE CALIBRAÇAO 3 5 1 4 5 TRABALHAR BEM COM FLUIDOS

VISCOSOS ACIMA DE 20 Cst 5 5 2 5 5

SER EXTRUSIVO A LINHA 0 0 0 5 0 NECESSIDADE DE OBRA PARA

SER INSTALADO 0 0 0 5 0

PODER MEDIR VÁRIOS PONTOS AO MESMO TEMPO

0 0 0 5 0

FOLHA DE ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA DE DESLOCAMENTO POSITIVO

DATA :

22/ 03/96

PLATAFORMA : P-12 APLICAÇÃO : SEPARADOR DE TESTE

SERVIÇO medição de óleo DIÂMETRO DA LINHA 2 pol

GERAL FLANGE DA LINHA 2 pol CLASSE DE PRESSÃO DA LINHA 300 # ANSI

PRINCÍPIO DESLOCAMENTO POSITIVO DE ENGRENAGENS OVAIS

FLUIDO (ESTADO FÍSICO) óleo cru VAZÃO MÍNIMA 1,8 m3/h VAZÃO MÁXIMA 18 m3/h CONDIÇÃO PRESSÃO OPER. MÁX. 12 kgf/cm2

DE TEMPERATURA OPERAÇÃO 25 °C OPERAÇÃO DENSIDADE 0,8703 @ 25 °C

VISCOSIDADE 23,27 cst @ 25 °C TEOR DE AREIA zero CONCENTRAÇÃO DE ÍON CLORETO ALTA

TIPO flangeada CONEXÕES FLANGE 300 # ANSI

DADOS DO BITOLA 2 pol CLASSIFICAÇÃO DE ÁREA ZONA 1, GRUPO IIa, T3

MEDIDOR PERDA CARGA MÁX. ADMISSÍVEL 0,5 kgf/cm2 PRECISÃO DE VAZÃO ± 0,5 % do valor medido RANGEABILIDADE 10 : 1

NOTAS

1. O TOTALIZADOR DE VAZÃO DEVERÁ SER LOCAL E INDICAR A VAZÃO TOTALIZADA EM M3 . 2. O FORNECEDOR DEVERÁ INFORMAR A PERDA DE CARGA NA VAZÃO MÁXIMA E A PRECISÃO NA VAZÃO

MÍNIMA. 3. MOSTRAR MEMÓRIA DE CÁLCULO, INDICANDO SELEÇÃO, PRECISÃO E PERDA DE CARGA NAS VAZÕES

MÁXIMA E MÍNIMA. 4. DEVERÁ SER DIMENSIONADO PELO FABRICANTE O “MESH” DO FILTRO A SER INSTALADO A MONTANTE

DO MEDIDOR. 5. O MEDIDOR DEVERÁ SER CONSTRUÍDO COM MATERIAL COMPATÍVEL A PRESENÇA DE H2S NO ÓLEO

MEDIDO.

GEINP / GEIN-N / GRUPO DE MEDIÇÃO RESP. : ENG. REINALDO SERFATY ROTA : 861-2304 OU 861-6443 MAT : 033202.0 DADOS DE OPERAÇÃO CONFERIDOS POR : LOTAÇÃO : MAT : DATA :

FOLHA DE ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA DE

MEDIDOR DE TURBINA

DATA :

01 / 04 / 95

PLATAFORMA : P-00 APLICAÇÃO : SISTEMA DE TRANSFERÊNCIA DE ÓLEO

SERVIÇO medição de óleo GERAL DIÂMETRO DA LINHA 8 pol

FLANGE DA LINHA 8 pol CLASSE DE PRESSÃO DA LINHA 600 # ANSI

FLUIDO (ESTADO FÍSICO) óleo cru VAZÃO MÍNIMA 250 m3/h VAZÃO MÁXIMA 1400 m3/h

CONDIÇÃO PRESSÃO OPER. MÁX. 30 kgf/cm2 DE TEMPERATURA OPER. MÁXIMA 60 °C

OPERAÇÃO DENSIDADE 0,8625 g/cm3 @ 60 °C VISCOSIDADE 13,13 cst @ 60 °C TEOR DE AREIA zero CLASSIFICAÇÃO DE ÁREA PELO IEC zona 1, grupo IIa, T3

SINAL DE SAÍDA DO MEDIDOR 0 a 15 Vac ( pulso ) FAIXA VAZÃO 250 a 1400 m3/h

MEDIDOR CALIBRADA DENSIDADE 0,85 A 0,9 g/cm3 PERDA CARGA MÁX. ADMISSÍVEL 1 kgf/cm2

/ PRECISÃO DE VAZÃO ± 0,5 % do valor medido REPETIBILIDADE/RANGEABILIDADE ± 0,5 % / 10 : 1

TOTALIZADOR DADOS DO TOTALIZADOR sinal de entrada :0 a 15 Vac (pulso) alimentação : 120 Vac, 60 Hz

NOTAS

1. O conjunto de medição com turbina deverá ser composto de filtro, retificador de fluxo, turbina, transmissor e totalizador de vazão;

2. O totalizador de vazão deverá indicar a vazão instantânea e a vazão totalizada. 3. A turbina deverá possuir compensação para variação de viscosidade do produto

medido; 4. O fornecedor deverá prever os seguintes serviços auxiliares : treinamento com

apostila em português, suporte técnico na instalação e partida, tempo previsto de embarque, mostrar a sua memória de cálculo, indicando seleção, precisão e perda de carga na vazão máxima.

GEINP / GEIN-N / GRUPO DE MEDIÇÃO RESP. : ENG. REINALDO SERFATY ROTA : 861-2304 OU 861-6443 MAT : 033202.0 DADOS DE OPERAÇÃO CONFERIDOS POR : LOTAÇÃO : MAT : DATA :

FOLHA DE ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA DE

MEDIDOR MAGNÉTICO

DATA :

01 / 04 / 95

PLATAFORMA : P-00 APLICAÇÃO : DESCARTE DE ÁGUA

SERVIÇO medição de descarte de água do Vaso 110 GERAL DIÂMETRO DA LINHA 2 pol

FLANGE DA LINHA 2 pol CLASSE DE PRESSÃO DA LINHA 150 # ANSI

FLUIDO (ESTADO FÍSICO) água VAZÃO MÍNIMA 5 m3/h VAZÃO MÁXIMA 12 m3/h

CONDIÇÃO PRESSÃO OPER. MÁX. 2 Kgf/cm2 DE TEMPERATURA OPER. MÁXIMA 22 °C

OPERAÇÃO DENSIDADE 1,01 @ 22 °C VISCOSIDADE 1 cst @ 22 °C CONDUTIVIDADE DO FLUIDO 50 µS / cm TEOR DE AREIA zero CLASSIFICAÇÃO DE ÁREA PELO IEC zona 2, grupo IIa, T3

TOTALIZADOR DADOS DO TOTALIZADOR alimentação : 120 Vac, 60 Hz NOTAS

• O totalizador de vazão deverá indicar a vazão instantânea e a vazão totalizada; • O fornecedor deverá prever os seguintes serviços auxiliares : treinamento com

apostila em português, suporte técnico na instalação e partida, tempo previsto de embarque, mostrar a sua memória de cálculo, indicando seleção e precisão.

GEINP / GEIN-N / GRUPO DE MEDIÇÃO RESP. : ENG. REINALDO SERFATY ROTA : 861-2304 OU 861-6443 MAT : 033202.0 DADOS DE OPERAÇÃO CONFERIDOS POR : LOTAÇÃO : MAT : DATA :

FOLHA DE ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA DE

MEDIDOR ULTRA-SÔNICO

DATA :

22 / 03 / 96

1- LOCALIZAÇÃO DO MEDIDOR : linha de exportação de óleo.

2- DADOS DE LINHA :

Diâmetro Nominal [pol] 8 Schedule da Linha 40 Material da Linha aço carbono

3- DADOS DO FLUIDO A SER MEDIDO :

Nome do Fluido

- óleo cru

Temperaturas mínima 09 [ o C ] normal 15

máxima 28 Pressões mínima 10

[ Kg/cm2 ] normal 25 máxima 42

Viscosidades - 80 Cst @ 8 o C - 25 Cst @ 40 o C

Grau API - 40 % de gás livre

no liquido escoado

- zero

4- LOCALIZAÇÃO E CARACTERÍSTICAS NECESSÁRIAS DOS TRANSDUTORES :

Trecho Reto Disponível [ m ] 4,5 Orientação da Linha (horizontal, vertical, inclinada ) ? horizontal Se a linha for vertical ou inclinada, qual o sentido do fluxo ( para cima, para baixo ) ?

-

Portátil ou Dedicado dedicado Resistente a corrosão sim Classificação de área segundo as normas do IEC ZONA 2, GRUPO IIa, T3

5- PROCESSO :

VAZÃO MÍNIMA [M3 / H ] 30 VAZÃO NORMAL [M3 / H ] 170 VAZÃO MÁXIMA [M3 / H ] 250 FLUXO CONTÍNUO OU EM

BATELADA ? contínuo

6- INSTALAÇÃO :

A produção não pode ser interrompida ou “by-passada”. A linha não pode ser drenada para ajuste inicial de vazio.

7- COMPUTADOR DE VAZÃO :

a) Tipo desejado : dedicado; b) Classificação da área onde o computador será instalado segundos as normas do IEC : área não

classificada; c) Alimentação disponível : 24 VDC; d) Temperatura do local onde será instalado o computador de vazão : 20 o C. 8- CABOS :

Distância entre o ponto onde serão instalados os transdutores e a sala de controle ( via embadejamento ) : 80 metros. 9- CARACTERÍSTICAS GERAIS EXIGIDAS : a) o medidor será testado durante dois meses na plataforma, a contar da data de instalação e

partida, após este prazo, caso o medidor mostre o desempenho exigido por esta especificação técnica, será aprovado o pagamento do referido equipamento;

b) o medidor deverá ter uma precisão de ± 3 % do valor medidor ou melhor; c) ser completamente não intrusivo, instalado externamente a linha; d) ter a possibilidade de ser instalado em linhas que variam de 0,5” a 24”; e) deve fornecer valores de vazão volumétrica instantânea e totalizada; f) o medidor deverá ser ultra-sônico, tipo tempo de trânsito, um canal e ter saída analógica; g) o fornecedor deverá prever os seguintes serviços auxiliares : treinamento com apostila em

português, suporte técnico na instalação e partida, tempo previsto de embarque. 10- REFERÊNCIAS GEINP / GEIN-N / GRUPO DE MEDIÇÃO RESP. : ENG. REINALDO SERFATY ROTA : 861-2304 OU 861-6443 MAT : 033202.0 DADOS DE OPERAÇÃO CONFERIDOS POR : LOTAÇÃO : MAT : DATA :

DADOS NECESSÁRIOS PARA DIMENSIONAR UM MEDIDOR MÁSSICO I- DADOS FÍSICOS 1- Diâmetro nominal da linha ? 2- Tamanho do flange da linha ? 3- Classe de pressão do flange ? 4- Alimentação disponível para a instalação do transmissor ( 24 VDC, 110 VAC e 220 VAC) ? 5- Distância entre o ponto de instalação do medidor e a sala de controle (considerando o

embandejamento do cabo ) ? II- DADOS DO PROCESSO 1- Há descarte de água ( caso haja, considere dados de processo do óleo, caso contrário,

considere os dados da emulsão ) ? 2- Vazão mínima que se deseja monitorar ? 3- Vazão máxima que se deseja monitorar ? 4- Pressão máxima a montante do medidor ? 5- Temperatura máxima de operação ? 6- API do fluido que será medido ( emulsão, caso não haja descarte de água ou óleo, caso haja ) ? 7- Viscosidade a duas temperaturas do fluido a ser medido ? 8- Teor de areia ? 9- BSW do fluido a ser medido ? 10- Qual a classificação da área onde será instalado o sensor segundo as normas do IEC ? III- ESQUEMA USUAL DE MONTAGEM

DADOS FORNECIDOS PELO NUPRO I- DADOS FÍSICOS 1- Diâmetro nominal da linha ? 6 pol. 2- Tamanho do flange da linha ? 4 pol. 3- Classe de pressão do flange ? 300 # ANSI. 4- Alimentação disponível para a instalação do transmissor ( 24 VDC, 110 VAC e 220 VAC) ?

24Vdc. 5- Distância entre o ponto de instalação do medidor e a sala de controle (considerando o

embandejamento do cabo ) ? 50 m. II- DADOS DE PROCESSO 1- Há descarte de água ( caso haja, considere dados de processo do óleo, caso contrário,

considere os dados da emulsão ) ? Não. 2- Vazão mínima que se deseja monitorar ? 7,5 m3/h. 3- Vazão máxima que se deseja monitorar ? 42 m3/h. 4- Pressão máxima a montante do medidor ? 25 Kg/cm2. 5- Temperatura máxima de operação ? 30 oC 6- API do fluido que será medido ( emulsão, caso não haja descarte de água ou óleo, caso haja ) ?

29,3 7- Viscosidade a duas temperaturas do fluido a ser medido ? 20 oC a 18,7 Cst

40 oC a 9,8 Cst 8- Teor de areia ? Zero. 9- BSW do fluido a ser medido ? 0,7 %. 10- Qual a classificação da área onde será instalado o sensor segundo as normas do IEC ?

Zona 1, Grupo IIa, T3.

CÁLCULO DA DENSIDADE E DA VISCOSIDADE NA TEMPERATURA DE OPERAÇÃO :

o API= 29,3 Top[o C]= 30 dT[ 86 o F]= 0,8703 d60F= 0,8800 Top[ o F]= 86

V1[CST]= 18,7 T1[o C]= 20 T1[oK]= 293 V2[CST]= 9,8 T2[o C]= 40 T2[oK]= 313

Top[o C]= 30 Top[oK]= 303

Vtop[CST]= 13,25

FOLHA DE ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA DE

MEDIDOR MÁSSICO

DATA :

/ /

PLATAFORMA : APLICAÇÃO :

SERVIÇO DIÂMETRO DA LINHA pol

GERAL FLANGE DA LINHA pol CLASSE DE PRESSÃO DA LINHA # ANSI

PRINCÍPIO CORIOLIS FLUIDO (ESTADO FÍSICO) VAZÃO MÍNIMA m3/h VAZÃO MÁXIMA m3/h

CONDIÇÃO PRESSÃO OPER. MÁX. kgf/cm2 DE TEMPERATURA OPER. MÁXIMA °C

OPERAÇÃO MASSA ESPECÍFICA g/cm3 @ °C VISCOSIDADE Cst @ °C TEOR DE AREIA % v/v BSW % MATERIAL DO ELEMENTO MATERIAL DA CAIXA aço inox 304 TIPO flangeada

SENSOR CONEXÕES FLANGE # ANSI BITOLA pol CLASSIFICAÇÃO DE ÁREA zona , grupo IIa, T3 PERDA CARGA MÁX. ADMISSÍVEL Kgf/cm2 VELOCIDADE MÁX. ADMISSÍVEL m/s COMPRIMENTO DE CABO DO SENSOR ATÉ O

COMPUTADOR DE VAZÃO metros

SINAL DE SAÍDA 4 a 20 mA FAIXA VAZÃO a m3/h CALIBRADA DENSIDADE a g/cm3

TRANSMISSOR / PRECISÃO VAZÃO ± 0,5 % na vazão mínima COMPUTADOR DENSIDADE ± 0.002 g/cm3

DE VAZÃO REPETIBILIDADE ± 0,05 % RANGEABILIDADE 20 : 1 ALIMENTAÇÃO 24 VDC CLASSIFICAÇÃO DE ÁREA área não classificada

NOTA

1. O COMPUTADOR DE VAZÃO A SER COTADO PELO FORNECEDOR DEVERÁ RECEBER COMO SINAL DE ENTRADA, OS VALORES DE DENSIDADE, TEMPERATURA E MASSA DA EMULSÃO. COM ESSES DADOS, O MESMO DEVERÁ INDICAR VAZÃO VOLUMÉTRICA INSTANTÂNEA E TOTALIZADA DA EMULSÃO (ÓLEO + ÁGUA), DENSIDADE MEDIDA E TEMPERATURA DA EMULSÃO.NÃO HÁ OBRIGATORIEDADE DAS QUATRO LEITURAS VIREM NO MESMO “DISPLAY”.

2. O FORNECEDOR DEVERÁ COTAR O TERMINAL PORTÁTIL DE INSERÇÃO DE DADOS DE CONFIGURAÇÃO DO COMPUTADOR DE VAZÃO.

S

NOTAS

3. O FORNECEDOR DEVERÁ INFORMAR A PERDA DE CARGA NA VAZÃO MÁXIMA E A PRECISÃO NA VAZÃO MÍNIMA.

4. CASO O TRANSMISSOR TENHA QUE SER INSTALADO SEPARADO DO COMPUTADOR DE VAZÃO E JUNTO AO SENSOR, O MESMO DEVERÁ TER A MESMA CLASSIFICAÇÃO DE ÁREA DO SENSOR.

5. MOSTRAR MEMÓRIA DE CÁLCULO, INDICANDO SELEÇÃO, PRECISÃO E PERDA DE CARGA NAS VAZÕES MÁXIMA E MÍNIMA.

6. DEVERÁ SER DIMENSIONADO PELO FABRICANTE O “MESH” DO FILTRO A SER INSTALADO A MONTANTE DO MEDIDOR.

7. O FORNECEDOR DEVERÁ PREVER OS SEGUINTES SERVIÇOS AUXILIARES: TREINAMENTO COM APOSTILAS EM PORTUGUÊS, SUPORTE TÉCNICO NA INSTALAÇÃO E PARTIDA, TEMPO PREVISTO DE EMBARQUE.

GEINP/GEIN-N/GRUPO DE MEDIÇÃO RESP.: ENG. REINALDO SERFATY ROTA : 861-2304 OU 861-6443 MATR.: 033202.0 DADOS DE OPERAÇÃO CONFERIDOS POR : MATR. : LOTAÇÃO : DATA :

FOLHA DE ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA DE

MEDIDOR MÁSSICO

DATA :

25/05/96

PLATAFORMA : SS-17 APLICAÇÃO : EXPORTAÇÃO

SERVIÇO medição de óleo DIÂMETRO DA LINHA 6 pol

GERAL FLANGE DA LINHA 4 pol CLASSE DE PRESSÃO DA LINHA 300 # ANSI

PRINCÍPIO CORIOLIS FLUIDO (ESTADO FÍSICO) óleo cru VAZÃO MÍNIMA 7,5 m3/h VAZÃO MÁXIMA 42 m3/h

CONDIÇÃO PRESSÃO OPER. MÁX. 25 kgf/cm2 DE TEMPERATURA OPER. MÁXIMA 30 °C

OPERAÇÃO MASSA ESPECÍFICA 0,8703 g/cm3 @ 30 °C VISCOSIDADE 13,25 cst @ 30 °C TEOR DE AREIA zero % v/v BSW 0,7 % MATERIAL DO ELEMENTO hastelloy MATERIAL DA CAIXA aço inox 304 TIPO flangeada

SENSOR CONEXÕES FLANGE 300 # ANSI BITOLA 4 pol. CLASSIFICAÇÃO DE ÁREA zona 1, grupo IIa, T3 PERDA CARGA MÁX. ADMISSÍVEL 0,5 kgf/cm2 VELOCIDADE MÁX. ADMISSÍVEL 4 m/s COMPRIMENTO DE CABO DO SENSOR ATÉ O

COMPUTADOR DE VAZÃO 50 metros

SINAL DE SAÍDA 4 a 20 mA FAIXA VAZÃO 7,5 A 42 m3/h CALIBRADA DENSIDADE 0,8 a 0,9 g/cm3

TRANSMISSOR / PRECISÃO VAZÃO ± 0,5 % na vazão mínima COMPUTADOR DENSIDADE ± 0.002 g/cm3

DE VAZÃO REPETIBILIDADE ± 0,05 % RANGEABILIDADE 20 : 1 ALIMENTAÇÃO 24 VDC CLASSIFICAÇÃO DE ÁREA área não classificada

NOTAS

1. O COMPUTADOR DE VAZÃO A SER COTADO PELO FORNECEDOR DEVERÁ RECEBER COMO SINAL DE ENTRADA, OS VALORES DE DENSIDADE, TEMPERATURA E MASSA DA EMULSÃO. COM ESSES DADOS, O MESMO DEVERÁ INDICAR VAZÃO VOLUMÉTRICA INSTANTÂNEA E TOTALIZADA DA EMULSÃO (ÓLEO + ÁGUA), DENSIDADE MEDIDA E TEMPERATURA DA EMULSÃO.NÃO HÁ OBRIGATORIEDADE DAS QUATRO LEITURAS VIREM NO MESMO “DISPLAY”.

2. O FORNECEDOR DEVERÁ COTAR O TERMINAL PORTÁTIL DE INSERÇÃO DE DADOS DE CONFIGURAÇÃO DO COMPUTADOR DE VAZÃO.

3. O FORNECEDOR DEVERÁ INFORMAR A PERDA DE CARGA NA VAZÃO MÁXIMA E A PRECISÃO NA VAZÃO MÍNIMA.

4. CASO O TRANSMISSOR TENHA QUE SER INSTALADO SEPARADO DO COMPUTADOR DE

NOTAS

VAZÃO E JUNTO AO SENSOR, O MESMO DEVERÁ TER A MESMA CLASSIFICAÇÃO DE ÁREA DO SENSOR.

5. MOSTRAR MEMÓRIA DE CÁLCULO, INDICANDO SELEÇÃO, PRECISÃO E PERDA DE CARGA NAS VAZÕES MÁXIMA E MÍNIMA.

6. O FORNECEDOR DEVERÁ PREVER OS SEGUINTES SERVIÇOS AUXILIARES: TREINAMENTO COM APOSTILAS EM PORTUGUÊS, SUPORTE TÉCNICO NA INSTALAÇÃO E PARTIDA, TEMPO PREVISTO DE EMBARQUE.

GEINP/GEIN-N/GRUPO DE MEDIÇÃO RESP.: ENG. REINALDO SERFATY ROTA : 861-2304 OU 861-6443 MATR.: 033202.0 DADOS DE OPERAÇÃO CONFERIDOS POR : MATR. : LOTAÇÃO : DATA :

DADOS NECESSÁRIOS PARA PROJETAR PLACA DE ORÍFICIO : 1- DADOS A SEREM FORNECIDOS PELO NUPRO : a) Vazão de operação que passa pelo medidor em m3/h; b) Vazão máxima que poderá passar pelo medidor em m3/h; c) Temperatura de operação em oC; d) Pressão manométrica na entrada do elemento em kg/cm2; e) Diâmetro nominal do tubo em polegadas; f) Schedule do tubo; g) Material do tubo; h) Classe de pressão em libras; i) Há descarte de água antes do futuro ponto onde você pretende instalar a placa ? j) Qual a perda de carga máxima admissível no ponto de medição em kg/cm2? l) Qual o grau API do fluido medido ( óleo ou emulsão ) ? m) Qual a viscosidade ( fornecer a duas temperaturas ) ? 2- OUTROS REQUISITOS :

Fazer isométrico do ponto onde se pretende instalar a placa de orifício, com as cotas “X" e “Y" em mm ( vide exemplo ). Considere apenas os trechos retos, indicando qual o acidente a montante mais próximo da futura placa. Indicar no desenho o sentido do fluxo.

DADOS FORNECIDOS PELO NUPRO : a) Vazão de operação que passa pelo medidor em m3/h;110 b) Vazão máxima que poderá passar pelo medidor em m3/h;156 c) Temperatura de operação em oC;45 d) Pressão manométrica na entrada do elemento em kg/cm2;38 e) Diâmetro nominal do tubo em polegadas;6 f) Schedule do tubo;80 g) Material do tubo;aço carbono h) Classe de pressão em libras;600 i) Há descarte de água antes do futuro ponto onde você pretende instalar a placa ?Não j) Qual a perda de carga máxima admissível no ponto de medição em kg/cm2? 0,5 l) Qual o grau API do fluido medido ( óleo ou emulsão ) ? 20,7 m) Qual a viscosidade ( fornecer a duas temperaturas ) ? 66,3 Cst a 40 oC

41,4 Cst a 50 oC

2- ISOMÉTRICO

PROJETO DA PLACA 1- DADOS FORNECIDOS PELO NUPRO a) Vazão de operação que passa pelo medidor em m3/h; b) Vazão máxima que poderá passar pelo medidor em m3/h; c) Temperatura de operação em oC; d) Pressão manométrica na entrada do elemento em kg/cm2; e) Diâmetro nominal do tubo em polegadas; f) Schedule do tubo; g) Material do tubo; h) Classe de pressão em libras; i) Há descarte de água antes do futuro ponto onde você pretende instalar a placa ? j) Qual a perda de carga máxima admissível no ponto de medição em kg/cm2? l) Qual o grau API do fluido medido ( óleo ou emulsão ) ? m) Qual a viscosidade ( fornecer a duas temperaturas ) ? 2- TRECHOS RETOS MÍNIMOS EXIGIDOS . X= mm A = mm B = mm 2.1- DESENHO DO ACIDENTE 3- MEMÓRIA DE CÁLCULO :

Q K P Qmax K RANGE K= × ⇒ = × ⇒∆ da placa; Q P=........ ∆

Q Qmax I

I QQmax

=× −

= × +

44

16 4 P [ Kg / cm2] = P inH O[ ]

,2

393 7

4- DADOS PARA CONFECÇÃO DA PLACA DE ORIFÍCIO :

TIPO DE PLACA : MATERIAL DA PLACA : DIÂMETRO NOMINAL : CLASSE DE PRESSÃO : DIÂMETRO DO ORIFÍCIO : DIÂMETRO EXTERNO DA PLACA : BETA : COMPRIMENTO DO CABO : LARGURA DO CABO : RAIO DO BORDO : ESPESSURA DA PLACA : 5- VERIFICAÇÃO DA PROGRAMAÇÃO DO TOTALIZADOR DE VAZÃO :

I [ mA ] Q [ m3/h ]

ESCALA DE

VAZÃO [%]

ERRO SOBRE O VALOR

MEDIDO [%]

∆P [in H2O]

∆P [ kg/cm2 ]

4 0 0 - 0 0 8 50 ± 10 12 70,5 ± 7,1 16 86,5 ± 5,8 20 100 ± 5

ESTÁ SENDO CONSIDERADO QUE O ERRO MÉDIO DA PLACA É DE 5% DO FUNDO DE ESCALA ( = ± m3/h ). OBS.1: EM RELAÇÃO AO ITEM 2, RESSALTAMOS A IMPORTÂNCIA DE

ATENDIMENTO AOS TRECHOS RETOS MÍNIMOS EXIGIDOS, DE FORMA A ASSEGURAR A VALIDADE DO PROJETO E, CONSEQUENTEMENTE, DA MEDIÇÃO.

OBS.2 : QUALQUER DÚVIDA CONTATAR COM O , RAMAL . GEINP / GEIN-N / GRUPO DE MEDIÇÃO RESP. : ENG. REINALDO SERFATY ROTA : 861-2304 OU 861-6443 MAT : 033202.0 DADOS DE OPERAÇÃO CONFERIDOS POR : LOTAÇÃO : MAT : DATA :

CÁLCULO DA PLACA E INSTRUÇÕES DE INSTALAÇÃO 1- DADOS FORNECIDOS PELA DIOP : a) Vazão de operação que passa pelo medidor em m3/h;110 b) Vazão máxima que poderá passar pelo medidor em m3/h;156 c) Temperatura de operação em oC;45 d) Pressão manométrica na entrada do elemento em kg/cm2;38 e) Diâmetro nominal do tubo em polegadas;6 f) Schedule do tubo;80 g) Material do tubo;aço carbono h) Classe de pressão em libras;600 i) Há descarte de água antes do futuro ponto onde você pretende instalar a placa ?Não j) Qual a perda de carga máxima admissível no ponto de medição em kg/cm2? 0,5 l) Qual o grau API do fluido medido ( óleo ou emulsão ) ? 20,7 m) Qual a viscosidade ( fornecer a duas temperaturas ) ? 66,3 Cst a 40 oC

41,4 Cst a 50 oC 2- TRECHOS RETOS MÍNIMOS EXIGIDOS . X = 6 x D = 6 x 146,34 = 878 mm < 1000 mm => ok ! A = 7,5 x D = 1098 mm B = 3,75 x D = 549 mm Y = A + B = 1647 mm < 2700 mm => ok ! 2.1- DESENHO DO ACIDENTE

3- MEMÓRIA DE CÁLCULO :

Q K P Qmax K RANGE K= × ⇒ = × ⇒∆ da placa;Q P= 10 9, ∆

Q Qmax I

I QQmax

=× −

= × +

44

16 4 P [ Kg / cm2] = P inH O[ ]

,2

393 7

4- DADOS PARA CONFECÇÃO DA PLACA DE ORIFÍCIO :

TIPO DE PLACA : bordo quadrante

MATERIAL DA PLACA : aço inox 304

DIÂMETRO NOMINAL : 6 pol

CLASSE DE PRESSÃO : 600 # ANSI

DIÂMETRO DO ORIFÍCIO : 78,902 @ 20 oC

DIÂMETRO EXTERNO DA PLACA : 267 mm

BETA : 0,53931 @ 20 oC

COMPRIMENTO DO CABO : 121 mm

LARGURA DO CABO : 38 mm

RAIO DO BORDO : 12 mm

ESPESSURA DA PLACA : 12 mm

5- VERIFICAÇÃO DA PROGRAMAÇÃO DO TOTALIZADOR DE VAZÃO :

I [ mA ] Q [ m3/h ]

ESCALA DE

VAZÃO [%]

ERRO SOBRE O VALOR

MEDIDO [%]

∆P [in H2O]

∆P [ kg/cm2 ]

4 0 0 - 0 0 8 78 50 ± 10 51,2 0,13 12 110 70,5 ± 7,1 101,8 0,26 16 135 86,5 ± 5,8 153,4 0,39 20 156 100 ± 5 204,7 0,52

ESTÁ SENDO CONSIDERADO QUE O ERRO MÉDIO DA PLACA É DE 5% DO FUNDO DE ESCALA ( = ± 7,8 m3/h ).

OBS.1: EM RELAÇÃO AO ITEM 2, RESSALTAMOS A IMPORTÂNCIA DE

ATENDIMENTO AOS TRECHOS RETOS MÍNIMOS EXIGIDOS, DE FORMA A ASSEGURAR A VALIDADE DO PROJETO E, CONSEQUENTEMENTE, DA MEDIÇÃO.

OBS.2 : A POSIÇÃO CORRETA PARA A INSTALAÇÃO DE UMA PLACA DE

BORDO QUADRANTE EM RELAÇÃO AO FLUXO É :

GEINP / GEIN-N / GRUPO DE MEDIÇÃO RESP. : ENG. REINALDO SERFATY ROTA : 861-2304 OU 861-6443 MAT : 033202.0 DADOS DE OPERAÇÃO CONFERIDOS POR : LOTAÇÃO : MAT : DATA :

ANEXO VI

SELECIONANDO O MEDIDOR CORRETO Autor : Eng. James Pomroy ( Fisher-Rosemount ) Artigo tirado da revista “Chemical Engineering” - maio 1996 Tradução : Eng. Reinaldo Serfaty ( Geinp/Gein-N )

As milhas de tubulações encontradas no processo químico e áreas de utilidades são evidências visíveis da importância da movimentação de fluidos de forma eficiente e segura na busca para melhorar as operações das unidades. A medição e controle do fluido oferecem freqüentemente oportunidades não perceptíveis para melhora, não somente em controle de processo mas também na utilização de todos os bens da unidade. Os benefícios potenciais incluem : a melhoria da qualidade, quantidade de material e redução de custos.

Inovações na tecnologia dos medidores, levados pela recente troca do circuito

analógico pelo circuito digital microprocessado, aumentaram dramaticamente a quantidade e o valor dos dados fornecidos pelo medidor. A habilidade para usar esta informação para fins de controle será mais adiante facilitada com o advento do protocolo FIELDBUS, o qual permitirá que os instrumentos se comuniquem diretamente um com outro, permitindo controle digital verdadeiramente descentralizado.

O aumento da importância do controle de vazão é refletido no crescimento do

mercado mundial para medidores de vazão. É ainda, o maior segmento dos negócios industriais para instrumentação de medição ( figura 1 ), está se expandindo 50 % mais rápido que o total do mercado mundial, o qual é esperado crescer em torno de 5 % ao ano até o fim do ano 2000. Inovações tecnológicas estão estimulando este crescimento e complicando talvez a tarefa de escolher o medidor correto para uma aplicação particular. Este artigo oferece um processo de avaliação para ajudá-lo a limitar melhor suas opções.

Primeiro identificaremos os muitos fatores que afetam a seleção de medidores

para diferentes tipos de serviço, depois revisaremos vários conceitos de medição de vazão e muitos fatores que influenciam o deslocamento de um fluido. Muitas das tecnologias mais comuns, incluindo os mais novos avanços, serão discutidos junto com suas vantagens e limitações. Finalmente, veremos como os avanços de comunicação e computação que estão ocorrendo nos equipamentos de campo terão um grande impacto nas nossas habilidades de gerenciar os bens da fábrica para uma melhora contínua da qualidade, quantidade de material, segurança e retorno de investimento. Selecionando uma tecnologia

Selecionar um medidor de vazão começa com o entendimento de porque a medição tem que ser feita ( figura 2). As razões de medir uma vazão geralmente se subdividem em quatro categorias : • controle; • transferência de custódia;

• indicação; • monitorização ou totalização.

A seguir olhe de perto para a aplicação específica - propriedades do fluido a ser medido, requisitos de desempenho do processo, a natureza da instalação do medidor, fatores de custo e considerações ambientais e de segurança. Enquanto a figura 2 indica muitos dos importantes fatores de seleção, existem outros que devem ser considerados. Somadas às propriedades do fluido, outras propriedades que influenciam a seleção de um medidor incluem a composição química, lubricidade, abrasão e conteúdo de sólidos no mesmo. Pelo fato do processo de seleção poder ser complexo, os fornecedores de medidor de vazão são freqüentemente solicitados a participar no estágio inicial que somente na hora de se fazer a compra. Maneiras de medir-se a vazão

O termo vazão é freqüentemente utilizado indistintamente para descrever velocidade, vazão volumétrica ou vazão mássica. Entretanto, é importante reconhecer as diferenças e entender que cada tipo de medição tem o seu propósito.

A taxa de vazão volumétrica é a expressão do volume de fluido transportado

através de uma linha em um específico período de tempo, tal como galão por minuto. É freqüentemente inferida tanto para medir pressão diferencial através de uma restrição na linha ou pela medição de velocidade da corrente de fluxo quando a mesma viaja através de uma área de seção transversal de uma linha conhecida. Ambas as vazões calculadas incorporam muitas suposições, tal qual a linha está completamente preenchida, que pode não ser sempre uma verdade sob condições reais de medição de vazão. Outro método comum é usar um medidor de deslocamento positivo, que mede volume diretamente contando volumes discretos do fluido quando o mesmo passa através do medidor.

A taxa de vazão volumétrica é freqüentemente usada para fins de controle onde

a confiabilidade e repetibilidade da medição são usualmente mais importantes que a precisão. Correções para variações causadas por alterações grandes de temperatura e pressão são freqüentemente necessárias para líquidos, e são essenciais quando se trabalha com gases e vapores, devida as suas naturezas de serem altamente compressíveis.

A vazão mássica é a medida da massa real de um fluido por unidade de tempo,

como quilogramas por hora. Existem dois tipos de tecnologias básicas para medição direta de massa e ambas eliminam a necessidade de compensação de pressão e temperatura do valor medido.

O método mais utilizado é o “Coriolis”, considerado geralmente a maneira de

medir vazão mais precisa além dos sistemas laboratoriais base-peso. O medidor mássico termal é o outro equipamento de medição direta de massa. Ambos os métodos serão discutidos com mais detalhes mais adiante. A vazão mássica é geralmente inferida pela correção da taxa de vazão volumétrica com a massa específica do fluido ( Qvolume x massa específica do fluido = Qmássica ) para atingir a um valor de taxa de vazão mássica calculada não muito exata.

A vazão totalizada é a quantidade total de fluido que passa por um ponto tanto

em unidade de volume como unidades de massa. Os medidores de gás e água são exemplos de

medidores projetados para o registro de vazão totalizada, neste caso com nenhuma referência ao tempo ou taxa de vazão. Influências na vazão dos fluidos

As propriedades do fluido ( líquido ou gás ), incluindo sua velocidade, massa específica e viscosidade, influenciam as medições volumétricas. Eles são importantes fatores na escolha de um medidor volumétrico.

A densidade é a razão da massa de um fluido por unidade de volume. Quando o

fluido é um gás, a sua massa se relaciona diretamente com o número de moléculas por unidade de volume, o qual por sua vez depende da temperatura e pressão. Quando a temperatura de um gás aumenta, mantendo-se a pressão constante, as moléculas se espalham, reduzindo a densidade.

Entretanto, aumentos na pressão à temperatura constante, faz com que as

moléculas movam-se mais juntas, fazendo com que o gás fique mais denso. Portanto , equipamentos para medir vazões de gás e vapor devem possuir compensação para variações de temperatura e pressão medindo estas variáveis e realizando uma correção. Freqüentemente será necessário também fazer estas correções com líquidos a elevadas pressões e temperaturas.

A maioria dos métodos de medição de massa específica envolvem amostragem,

o que aumenta a complexidade. Se isto é indesejável o medidor mássico Coriolis pode medir a massa específica diretamente da mesma forma que medidores de massa específica baseado em cintilação gama que são não-intrusivos e disponíveis hoje para líquidos e pastas fluidas. Medidores gama medem atenuação da energia gama transmitida através da tubulação, atenuação é proporcional a densidade do material que passa dentro da mesma.

A viscosidade de um fluido se relaciona diretamente com a facilidade com que

o mesmo flui através da tubulação. A viscosidade é tipicamente medida em unidades de centipoise (cP) a uma dada temperatura (em geral 25 oC), quanto maior o valor da viscosidade maior será a resistência para a vazão. Na maioria dos casos quando a temperatura de um líquido aumenta, a sua viscosidade diminui e o fluido flui com mais facilidade. Por exemplo, a viscosidade da água cai pela metade quando a temperatura sobe para 60 oC. De modo inverso, os gases ficam mais viscosos nas temperaturas mais altas, devido ao aumento de velocidade da interação de suas moléculas.

Entretanto, muitos fluidos desviam deste tipo de comportamento típico,

reforçando a necessidade de um conhecimento completo do fluido a ser medido. Por exemplo, os fluidos não-newtonianos possuem viscosidades que variam com a taxa de cisalhamento. O “ketchup”, por exemplo, escoará de uma garrafa somente depois de uma agitação que forneça o “stress” mínimo necessário para iniciar o movimento entre as camadas de fluido.

A maneira com que estes fatores influenciam a vazão específica de um fluido

pode ser complexa, eles podem ser expressos por um valor numérico, o número de Reynolds

(RD=(massa específica x velocidade x diâmetro da linha )/viscosidade), um número adimensional que descreve as condições de vazão em um ponto particular. Muitos medidores de vazão têm um desempenho linear sobre um range de vazão definido por um mínimo e máximo número de

Reynolds. Como um termo que representa a fluidez, o número de Reynolds também é útil para indicar se a vazão é laminar ou turbulenta. Normalmente quando a vazão é laminar o número de Reynolds está abaixo de 2000, quando é turbulenta acima de 4000 e entre os valores 2000 e 4000 é dito que a vazão é de transição.

Na vazão laminar o fluido se move de maneira suave, em camadas ordenadas

com pequena mistura do fluido através da seção transversal da linha. As camadas centrais da linha viajam mais rápido, produzindo um perfil parabólico. A força de arraste ao longo da parede da tubulação reduz de modo significativo a velocidade nesta área.

Quando o fluxo é turbulento ocorre consideráveis misturas e o movimento

suave e em camadas dos fluidos é substituído por um movimento aleatório e com redemoinhos. O perfil do fluxo turbulento é caracterizado como achatado, o que significa que a velocidade da corrente no centro do diâmetro da linha é mais ou menos o mesmo do que perto da parede da mesma.

Uma outra influência são os redemoinhos que ocorrem quando o momento

angular é dado para a corrente de fluxo quando a mesma passa através de um cotovelo, válvula ou outra mudança na geometria da linha. Uma vez que os fluidos com redemoinhos são difíceis de serem medidos e podem causar erros de medição em muitos instrumentos, é melhor instalar equipamentos afetados por este fator bem a montante do equipamento que produza redemoinhos.

Sugestões para localização variam de medidor para medidor, porém a maioria

dos medidores depressivos e daqueles baseados na velocidade necessitam de 5 a 40 diâmetros de trecho reto a montante para atingir as precisões especificadas. O efeito do redemoinho e de outras distorções podem ser reduzidos com a instalação de condicionadores de fluxo ou retificadores de vazão a montante do medidor.

Outros problemas de medição são causados por pulsações geradas por bombas

ou compressores, fluidos bifásicos e a cavitação. A última condição ocorre quando a pressão local é reduzida abaixo da pressão do valor do líquido, provocando a formação de cavitação de vapor ou bolhas. Estas bolhas podem colapsar com grande força causando danos ao sistema de tubulação da mesma forma nos medidores, resultando erros de leitura. Pelo fato da cavitação está geralmente associada a grandes queda de pressão, a manutenção de uma pressão suficiente na tubulação e no medidor é uma maneira comum de resolver o problema.

A maioria das medições de vazão são feitas através de um dos quatro métodos:

medição da pressão diferencial através de uma restrição, medição de velocidade, deslocamento positivo e medição direta de massa. Vamos dar uma olhada em cada um dos métodos em que os medidores podem estar baseados. Medição de pressão diferencial

Quase a metade de todos os medidores industriais de vazão fabricados no ano passado basearam-se na medição de pressão diferencial . Este método apóia-se na medição de pressão diferencial que existe entre os lados de montante e jusante de uma restrição em uma corrente de fluido confinada. A pressão diferencial é matematicamente relacionada com a vazão volumétrica ou mássica, como determinado pelos testes laboratoriais ou calibração do campo.

De acordo com a equação de energia de Bernouilli, quando uma corrente de fluxo é restrita, sua energia cinética aumenta, devido a conversão da energia potencial em cinética. Esse princípio é ilustrado quando uma restrição (elemento primário) é colocado em uma linha com um fluido em movimento (figura 3). A velocidade de um fluido fluindo através de uma restrição aumenta, causando um decréscimo correspondente na pressão estática (energia potencial).

A diferença entre as pressões de montante e jusante devido a esta restrição, se

relaciona com o quadrado da velocidade, uma equação em parte definida pelo tipo de restrição escolhido. Uma vez que a pressão diferencial é medida, a taxa de vazão volumétrica ou mássica pode ser calculada, levando em consideração o diâmetro da tubulação e o formato da restrição e elementos adjacentes à tubulação, com as hipóteses feitas para diversas propriedades do fluido. Algumas destas correções estão contidas em um simples fator conhecido como coeficiente de descarga (Cd), o qual deriva de testes realizados no laboratório, como a média das taxas de vazão verdadeira e teórica.

O elemento secundário na medição de ∆P é um transmissor de pressão

diferencial, o qual fornece uma saída uma proporcional tanto de ∆P como taxa de vazão. A instrumentação baseada pelo método de ∆P tem que estar apta para calcular a raiz quadrada da pressão diferencial a fim de fornecer uma saída linear para a taxa de vazão.

Os métodos de extração de raiz quadrada mecânicos ou analógicos que foram

usados no passado são imprecisos e aumentavam os erros, porém isto tem sido virtualmente eliminado de uns anos para cá, uma vez que a maioria dos transmissores são hoje baseada na teoria dos microprocessadores. Contudo, a rangeabilidade (razão entre a vazão máxima e mínima que um medidor pode medir com precisão) está em geral limitada a 3 : 1, utilizando a combinação tradicional do transmissor de ∆P e placa de orifício. Na maioria dos casos isto é devido a mudanças não compensadas no coeficiente de descarga.

A medição precisa de vazão de gás e vapor de gás requer compensação mesmo

para variações pequenas de temperatura e pressão. No caso dos líquidos grandes variações de pressão ou temperatura também devem ser compensadas quando a precisão é importante. Esta compensação pode ser feita trazendo as entradas de ∆P, pressão estática e temperatura tanto para um sistema de controle como para um computador de vazão montado no local, onde os valores verdadeiros para o coeficiente de descarga, massa específica e fatores de expansão do gás são calculados para futuro uso na equação de vazão.

Todavia, os recentes desenvolvimentos de transmissores de ∆P multivariável

tem mudado isto. Introduzidos em larga escala na indústria apenas a um ano atrás, eles representam um paradigma de troca na capacidade de medição de ∆P, não muito distinta da troca de transmissor pneumático para analógico que ocorreu a 20 anos atrás ou da troca da eletrônica analógica para a eletrônica inteligente baseado em microprocessadores ao longo dos últimos anos. Estes novos transmissores combinam 3 sensores que medem ∆P , pressão e temperatura em uma única unidade, acrescido de um microprocessador que calcula a taxa de vazão mássica, uma tarefa anteriormente deixada para o sistema de controle ou computador de vazão mássica independente.

Uma só unidade (figura 4) por exemplo, pode fornecer uma saída de vazão

mássica totalmente compensada, além das 3 variáveis de processo, quais sejam: ∆P, pressão e

temperatura. A precisão da medição mássica é tipicamente ± 1 % do valor medido em um range de 8 : 1. Isto contrasta com as tradicionais precisões não compensadas de ± 1 % a 3 % do fundo de escala em um range de 3 : 1 .

Transmissores multivariáveis também permitem a planta atender melhor as

regulamentações ambientais reduzindo o número de interferências no processo. Dados de trilhas de auditorias são reduzidos utilizando-se um transmissor ao invés de três e medidores que usam comumente protocolos de comunicação HART ou mais recentemente FIELDBUS, podem alimentar automaticamente um banco de dados com estas informações. Todos estes fatores, agregados com a redução significativa dos custos de instalação e de compra tem resultado na ampla aceitação dos transmissores multivariáveis. Tipos de elementos primários

O elemento primário mais popular é a placa de orifício, que vem a ser um disco de metal com um furo, o qual é instalado entre dois flanges de uma linha . O formato da abertura e a sua localização na placa pode variar, dependendo do fluido que está sendo medido (figura 5).

A placa de orifício mais comum é a de bordo reto. Ela produz melhores

resultados quando medido líquidos ou gases em fluxo turbulento. Um dreno pode ser posicionado no topo da linha permitindo a passagem de gases quando está medindo-se líquidos, ou no fundo ou na base da linha para permitir a passagem de sólidos em suspensão. Orifícios segmentados (em oposto ao orifício pleno e circular) são freqüentemente usados em pastas fluidas leves ou gases sujos. As placas de bordo quadrante por sua vez, são utilizados em linhas de pequeno diâmetro ou com fluido viscosos. A localização da tomada de pressão varia com aplicação mais em geral é feita nos flanges (flange tap) ou um diâmetro a montante / meio diâmetro a jusante (D D/2 tap).

Como se sabe, as placas de orifício são robustas e possuem um custo

relativamente barato para linhas de grande diâmetro. Elas podem trabalhar com a maioria dos fluidos limpos e não são limitadas nas aplicações de alta temperatura. Entretanto, são suscetíveis a erosão, o qual causa redução na perda de carga gerada por uma dada vazão. Elas também são sensíveis a variações de massa específica e viscosidade, como já foi anteriormente discutido, e deve ser também considerado a existência de trechos retos para atingir as precisões esperadas.

No tubo Venturi, o fluido é acelerado para dentro de um cone convergente,

induzindo uma queda de pressão local. Uma seção expandida do medidor depois retorna a vazão para a uma pressão próxima da original. Estes instrumentos são freqüentemente selecionados onde é importante não ser criado uma perda de carga significativa e onde uma boa precisão é necessária. Estas aplicações são usualmente limitadas para alta vazões, tais como linhas principais, devido ao alto custo relativo deste elemento primário.

Um bocal de vazão representa um bom compromisso entre as capacidades do

orifício e venturi. Bocais de vazão tem uma capacidade de medir vazões mais altas que as placas de orifício e podem manipular sólidos maiores, alta velocidade alta turbulência da mesma forma que em aplicações de temperatura muito altas. Eles são freqüentemente usados com vapores ou fluidos que contenham sólidos em suspensão. Esses equipamentos custam mais baratos que os Venturis, porém são menos precisos e geram perda de carga permanente maior. O tubo de Pitot é

uma outra maneira de se medir vazão utilizando um transmissor de pressão diferencial, são principalmente usados em vazão de gás ou de líquidos muito limpos. Eles geram uma pressão diferencial muito pequena. No passado, freqüentemente era difícil medir a repetibilidade devido as limitações do transmissor. Sua precisão depende do perfil de velocidade do fluido. Também as pequenas aberturas do tubo de Pitot podem ser obstruídas por partículas. Na maioria das aplicações, o tubo de Pitot médio utiliza várias portas ao longo do diâmetro da tubulação para compensar as mudanças do perfil de velocidade.

O outro medidor baseado na pressão diferencial é o medidor de área variável

(rotâmetro). Estes medidores consistem de um flutuador instalado dentro de um tubo vertical, com uma escala graduada. O flutuador que é mais denso que o fluido do processo, repousa no fundo do tubo quando a vazão é zero. Quando o fluido começa a escoar, o flutuador sobe em resposta a velocidade do mesmo, aumentando a área anular entre o flutuador e o tubo. Para qualquer vazão dada o flutuador procura uma posição de equilíbrio entre o empuxo e o peso do flutuador, indicando uma taxa de vazão na escala adjacente.

Rotâmetros podem ser utilizados para medir tanto vazões de líquido quanto de

gases. O tubo deve ser transparente para melhor leitura ou possuir um sensor magnético de posição do flutuador com saída analógica. Rotâmetros são relativamente baratos, geram uma perda de carga pequena e são fáceis de instalar. Entretanto sua precisão varia largamente, como pode ser visto na tabela. Medidores de velocidade

Medidores baseados na velocidade calculam a vazão volumétrica baseados na equação Q = A .V, onde V é a velocidade do fluido e A é a área da seção transversal do medidor. Pelo fato do elemento primário gerar um sinal linear com a velocidade do fluido, imprecisões potenciais associadas com a extração da raiz quadrada são eliminadas. Os medidores de vazão de velocidade podem operar sobre um range largo de velocidade e tendem ser menos sensíveis ao perfil de vazão que os tradicionais medidores de orifícios (∆P).

Entre os medidores utilizados para medir a velocidade do fluido podemos citar:

medidores eletromagnéticos, vórtice, ultra-sônico e turbina. As vantagens e limitações de cada tipo de medidor de velocidade serão discutidas abaixo.

Os medidores de turbina possuem um rotor que gira livremente quando o fluido

passa por ele, então a velocidade rotacional da turbina é proporcional a velocidade do fluido. Os medidores de turbina fornecem uma excelente precisão,repetibilidade e rangeabilidade. Eles são comumente utilizados em aplicações de transferência de custódia de líquidos e gases.

Os medidores de turbina não são eficientes com fluidos com redemoinhos e não

são recomendados para aplicações que utilizam fluidos de alta viscosidade. Eles estão sujeitos a desgaste de mancal, depósito ou desgaste nas palhetas da turbina e têm que ser calibrados para cada aplicação específica, o que encarece apreciavelmente os custos de instalação e manutenção. É por estas razões que o percentual de instalação de medidor de turbina está cada vez mais reduzido.

Um típico medidor de velocidade é o oscilatório que provoca uma oscilação regular na maneira do fluido escoar, esta freqüência de oscilação é proporcional a taxa de vazão o mais popular destes medidores é o medidor vórtice (vortex shedding meter).

Uma obstrução é instalada na tubulação, causando a formação de redemoinhos

atrás da mesma. Estes redemoinhos são denominados vórtices. Os vórtices são repetidamente espalhados em lados alternados do obstáculo com uma freqüência que é relacionada de maneira linear com a velocidade do fluido. Sensores instalados captam a freqüência de formação do vórtice e a eletrônica converte-a em taxa de vazão volumétrica.

A maioria dos medidores do tipo vórtice utilizam cristais piezelétricos ou

técnicas de capacitância no seu sensor. Estas convertem variações reais de pressão e velocidade associada a um vórtice em um sinal de entrada elétrico.

Os medidores do tipo vórtice são relativamente insensíveis a mudanças na

temperatura, pressão ou massa específica desde que estes parâmetros fiquem dentro de limites de operação do medidor. Eles produzem um perda de carga permanente na tubulação, mas em geral é menor que a perda de carga de um medidor depressivo do mesmo tamanho. A sua rangeabilidade freqüentemente ultrapassa 20:1, e os vórtices podem ser usados com líquidos, gases e vapores através de um simples ajuste das constantes do computador de vazão. Os medidores do tipo vórtice são robustos

Em contrapartida aos projetos dos medidores mais antigos que possuiam baixa confiabilidade e sensibilidade às vibrações da linha e fluidos pulsantes, os medidores do tipo vórtice mais modernos estão entre os mais robustos de todos os outros tipos de medidores (figuras 6 e 7 ). O sinal digital de microprocessado e projetos de sensores de equilíbrio de massa aumentaram bastante a integridade do sinal através da filtragem das vibrações. A construção totalmente blindada e a eliminação de partes móveis acrescentaram mais segurança e confiabilidade. Entre outros fatores chaves isto impulsionou o uso cada vez maior dos medidores do tipo vórtice nas indústrias de processamento químico nos últimos anos.

Por outro lado, estes equipamentos não são muito úteis a taxas de vazão muito

baixas (abaixo de 1 pé/s para líquidos ou 10 pés/s para os gases), ou com fluidos viscosos (acima de 30 cp). Isto porque a formação do vórtice é inibida por falta de energia disponível no fluido.

Os medidores do tipo vórtice não são recomendados em geral para o uso em

fluidos altamente erosivos, porém são mais tolerantes que as placas de orifício de bordo reto, onde o perfil do bordo e dimensões do mesmo tem que ser mantidas para se obter uma boa precisão.

Os medidores eletromagnéticos baseiam-se na lei de indução eletromagnética

de Faraday, que diz que um material condutor ao passar perpendicularmente a um campo magnético induz uma voltagem proporcional a velocidade do condutor ( neste caso o fluido, veja figura 8 ). Contudo o fluido medido tem que ser condutor elétrico e não magnético. Desta forma a maioria dos fluidos e produtos químicos base-água podem ser medidos, porém fluidos base-petróleo não podem. Como todos os outros medidores de velocidade, a tubulação tem que estar completamente preenchida com o fluido a ser medido ou teremos como resultado muitos erros significativos ou instabilidade.

Os medidores eletromagnéticos são não-intrusivos ( tradutor não concorda,

pois para os mesmos serem instalados, a linha tem que ser cortada, o autor do artigo confunde o fato do medidor não ter nenhum tipo de componente que interfira na passagem do fluido com o conceito de ser não intrusivo. O único medidor realmente não-intrusivo é o medidor ultra-sônico do tipo “clamp-on”, que possue os seus transdutores instalados por fora da linha através de abraçadeiras ), e são úteis para linhas que contenham produtos químicos corrosivos e pastas fluidas ( “slurries” ). Não existem obstruções para causar perda de carga e nem partes móveis para se desgatar. Eles não são sensíveis a mudanças na viscosidade do fluido, massa específica ou pressão e a tensão (voltagem) gerada representa uma exata média da velocidade do fluido tanto em fluxo laminar como turbulento. Muitos medidores eletromagnéticos são também capazes de medir de forma bidirecional, freqüentemente realizando o trabalho de dois medidores.

Entretanto, se começarem a formar depósitos de resíduos condutores, advindos

do fluido que está sendo medido, nas chapas isoladas ou nos eletrodos do medidor eletromagnético, tensões erradas podem ser induzidas. Da mesma forma que um depósito não condutivo pode tornar o medidor inoperante isolando os eletrodos da voltagem do fluido. Manter uma velocidade relativamente alta na linha ( 8 a 15 pés/s ) freqüentemente evita a formação destes depósitos.

Os medidores ultra-sônicos empregam as ondas sonora de duas formas

diferentes para medir a velocidade de um fluido em uma linha. No caso do medidor ultra-sônico por efeito “Doppler”, uma onda sonora de freqüencia constante é transmitida pelo fluido e refletida de volta por bolhas ou partículas para um transdutor. Pelo fato das partículas estarem em movimento, a freqüencia da onda sonora refletida difere da freqüencia original de um valor proporcional a velocidade do fluido.

O medidor ultra-sônico por tempo de trânsito emprega dois transdutores,

localizados a montante e a jusante de cada um. Cada um transmite uma onda sonora para o outro e a diferença de tempo de recepção dos dois sinais indica a velocidade do fluido. Estes dois medidores se complementam, uma vez que o tempo de trânsito exige fluido limpo ao contrário do efeito “Doppler”.

Como os medidores eletromagnéticos, os medidores ultra-sônicos operam sem

um contato físico com o fluido medido, não são afetados por fluidos corrosivos, abrasivos ou de alta viscosidade (o tradutor discorda porque quando a viscosidade é muito alta pode ocorrer atenuação sônica ) e não há obstrução a passagem do fluxo. Muitos medidores ultra-sônicos possuem a capacidade de medir fluxo bidirecionais, e podem ser freqüentemente instalados externamente a linha através de abraçadeiras, apesar da precisão e confiabilidade não serem tão boas que quando os transdutores são instalados em “spools” que são calibrados como um corpo.

Os medidores ultra-sônicos já tiveram a reputação de ser não confiáveis, porém

alterações de projeto mudara este quadro. Os aperfeiçoamentos incluem : melhores transdutores, melhores materiais, sensores múltiplos com técnicas de correlação cruzada, microprocessadores mais avançados e aumento da capacidade dos programas (“software”). Medidor de deslocamento positivo

Os medidores de deslocamento positivo medem a taxa de vazão volumétrica dividindo a corrente de fluxo em segmentos distintos de volume conhecido, contam estes segmentos e multiplica pelo volume de cada segmento. O resultado é um valor expresso em unidades de volume por unidade de tempo. Os medidores de deslocamento positivo freqüentemente registram a vazão totalizada diretamente em um contador, mas eles podem também gerar saída de pulsos, sendo que cada pulso representa um volume discreto de fluido. Os pulsos podem ser lidos em um contador local ou transmitido para um sistema de controle.

Este medidores são freqüentemente usados em bateladas, misturas ou operação

de transferência de custódia de hidrocarbonetos. Eles são muito precisos quando utilizados com fluidos relativamente viscosos e têm uma rangeabilidade acima de 10 : 1. Em geral, não são bons para medição de gás, devido a sua instabidade de vedação.

Um dos tipos de medidor de deslocamento positivo é o de palhetas rotativas.

Ele possui palhetas que ficam livres para escorregar para dentro e para fora de um sulco existente no rotor, desta forma fazendo um constante contato com a parede do cilindro excêntrico do medidor. Quando o rotor gira um volume conhecido de fluido é aprisionado entre duas palhetas e a parede da câmara de medição, permitindo o cálculo do volume por revolução.

Os medidores de lóbulos rotativos e de engrenagens trabalham de maneira

similar. Neste caso, os lóbulos ou engrenagens são fixos, porém eles aprisionam o fluido entre esses elementos e a parte de fora da parede circular do equipamento. À medida que o fluido escoa, os lóbulos ou engrenagens movimentam-se e o número de revoluções é contado e é proporcional ao volume que passa pelo medidor.

Como equipamento mecânico, possui muitas partes móveis propensas ao

desgaste, os medidores de deslocamento positivo, não são indicados para medir fluidos sujos ou com sólidos em suspensão. Eles também extraem alguma energia da corrente de fluido, produzindo uma perda de carga. O deslizamento em torno das engrenagens ou palhetas pode gerar leituras errôneas, estes equipamentos são mais adequados para fluidos viscosos que tem a tendência de selar as pequenas folgas. Por outro lado, se o resíduo pesado de fluido cobrir a câmara de medição do equipamento, um volume menor será medido, produzindo uma saída maior que a vazão real. Medidor de vazão mássica

A medição direta de vazão mássica é sempre a preferida para aplicações críticas de controle, como por exemplo transferência de custódia de fluidos valiosos (nota do tradutor: até hoje a API não regulamentou o uso de medidores mássicos para transferência de custódia envolvendo petróleo. Os únicos medidores regulamentados são deslocamento positivo e medidor de turbina).

Apesar de existirem uma série de técnicas para inferir a taxa de vazão mássica a

partir da medição de vazão volumétrica , algumas medem a vazão mássica de forma direta. Os dois métodos básicos são: medição mássica por efeito Coriolis e medição mássica termal.

O medidor de Coriolis é baseado na segunda lei de Newton que afirma que a

resultante das forças é igual ao produto da massa pela aceleração. Este princípio é aplicado quando o medidor de Coriolis está instalado na tubulação. Dois tubos dentro do medidor são

colocados em movimento nas suas frequências naturais. Quando o fluido escoa através dos tubos os mesmos se contorcem, o grau de contorção é proporcional a taxa de vazão mássica do fluido (figura 9 ). O grau de contorção é medido através de sensores magnéticos montados nos tubos. A mudança de frequência deriva de somente um dos sensores, que fornece a base para o cálculo da densidade.

Os medidores de vazão Coriolis fornecem medições mássicas precisas que são

essencialmente independente da temperatura, pressão, viscosidade, conteúdo de sólidos e outras propriedades. Somado a isto, eles frequentemente medem: massa específica, Brix, percentual de sólidos e até viscosidade quando a pressão diferencial (entre a entrada e a saida do medidor) é medida. Eles são não intrusivos ( o tradutor não concorda devido a motivos já supracitados ) e podem ser utilizados com diferentes tipos de fluidos. Uma vez calibrado na fábrica, eles podem ser utilizados em uma série de serviços sem recalibração ( o tradutor não concorda, pois todo equipamento de medição tem que ser recalibrado de tempos em tempos ).

Pelo fato dos medidores mássicos de Coriolis serem muito precisos ao longo de

um range alto (ver tabela ), eles estão sendo muito aplicados em situações que exigem controle rígido, tais como “loops” de processos críticos, gerenciamento de produtos de alto valor, e transferência de custódia. Há muitos anos que a tecnologia de medidor mássico de Coriolis é a que mais cresce na indústria.

Os medidores mássicos termais confiam mais nas propriedades termais do que

físicas de um fluido e portanto são amplamente utilizados em gases limpos e de baixa massa específica. As aplicações mais comuns incluem dutos de ar, tais como : ar combustível de aquecedores e gases de escapamento. Existem dois tipos principais : o anemômetro termal e o de elevação termal.

No caso do anemômetro termal, uma sonda eletricamente aquecida é

introduzida na corrente de fluxo. A quantidade de calor retirada da sonda depende da velocidade, massa específica, calor específico, temperatura e condutividade térmica do fluido medido. A uniformidade do fluido é importante para os anemômetros termais, porque variações de qualquer destas propriedades podem dificultar o obtenção de uma medição precisa.

Dois tipos de sonda estão sendo utilizadas : tipo corrente constante e o tipo

temperatura constante. No tipo corrente constante, a temperatura da sonda varia com o escoamento do fluido e é medida para a taxa de vazão obtida. Já no tipo temperatura constante, um circuito eletrônico varia a corrente da sonda para manter a sua temperatura constante independente da vazão. A medição é feita a partir da potência de entrada na sonda.

Uma comparação dos dois tipos mostra que os instrumentos de temperatura

constante geralmente fornecem respostas mais rápidas às mudanças de vazão, o que é importante aplicações de controle combustão e de efluentes. Em ambos os casos, a sonda tem que ser instalada no ponto de velocidade média da corrente de fluxo a fim de poder fornecer a taxa de vazão real. Se começar a aparecer depósitos sobre a sonda, haverá naturalmente uma interferência na transferência de calor e afetará negativamente a precisão e o tempo de resposta do medidor.

Com os medidores termais do tipo aumento de temperatura, fornece-se calor a

corrente de fluxo em um ponto e a temperatura é medida tanto a montante quanto a jusante do

aquecedor. A taxa de vazão deriva da diferença de temperatura. Dois estilos comuns existem aí : fluxo pleno (“flowthrough” ) e “by-pass”, o qual é mais popular. O tipo “by-pass” possui tempo de resposta mais rápido e gasta menos energia, porque ele só utiliza uma parcela do fluxo. Este medidores são usados para medição de gás em plantas piloto, vazões de purga e testes de estanqueidade. Talvez a maior aplicação destes medidores seja em vazões de gás dopante na fabricação de semicondutores. Uma visão do futuro

Ao longo dos últimos quarenta anos, o controle de processo industrial desenvolveu-se lentamente do controle de “loop” pneumático , utilizando ar comprimido como sinal de controle para “loops” analógicos de 4 a 20 mA e hoje para o controle digital. “ Loops” analógicos realizam duas funções . Eles energizam um instrumento ao nível intrinsicamente seguro e informam a variável de processo medida como sinal analógico ou frequentemente como um sinal digital.

Hoje, o sinal digital está frequentemente se sobrepondo ao sinal de 4 a 20 mA

via protocolo de comunicação HART, o qual leva informações adicionais além da variável simples do processo. Exemplos desta informação suplementar incluem status de diagnóstico do instrumento, identificação e configuração do instrumento e em alguns casos, variáveis de processo adicionais.

O emergente protocolo digital Fieldbus, projetado para substituir o padrão de

comunicação analógica de 4 a 20 mA, expandirá amplamente a capacidade existente de todos os instrumentos de processo através da transferência facilitada de cada vez mais dados a velocidades cada vez maiores. Também fornecerá maior capacidade computacional e de gerenciamento de dados como resultados dos níveis de potência que ele permite.

Fieldbus é mais que um simples protocolo de comunicação pelo fato dele

permitir que instrumentos de diferentes fabricantes conversem entre si, por meio disso permitem uma verdadeira descentralização do controle de processo. Neste contexto, os equipamentos de campo são nós ou elementos, dentro de um sistema de controle mais propriamente que periféricos do sistema.

O medidor de vazão inteligente, por exemplo, se tornarão um componente

integrado de toda a rede de controle na qual cada equipamento terá acesso ilimitado aos dados guardados em outros equipamentos da rede. Esta tecnologia está atualmente em teste em plantas reais e espera-se estar comercialmente disponível como um protocolo aberto de muitos fabricantes de instrumentos dentro de um ano.

Devido a potência, velocidade e dados integrados que estarão disponíveis

nestes novos instrumentos, esperamos medidores de vazão e outros equipamentos de “loop” se moverem além do foco de controle de gerenciamento de processo da tubulação para o gerenciamento real dos bens de processo. As plantas de hoje são na maioria dos casos gerenciados de forma reativa particularmente de uma perspectiva de manutenção. Entretanto, o equipamento, processo e diagnósticos de aplicação que brevemente estarão disponíveis em muitos equipamentos permitirão uma identificação e reparo mais fácil do mesmo antes que ele falhe. Isto ajudará a reduzir os custos de planta parada e de manutenção, enquanto aumenta a qualidade do produto através da redução da variabilidade do processo.

Com a informação e conhecimento que se torna disponível para as pessoas de

todos os níveis na planta está claro, pelo menos para este autor, que a medição e controle nos próximos anos se parecerá muito mais com uma revolução do que apenas um próximo passo.