novas tecnologias de equipamentos de monitoramento e controle

Nilson Massami [email protected]

IPT Instituto de Pesquisas TecnológicasCentro de Metrologia de Fluidos

Av. Prof. Almeida Prado, 532 Cidade Universitária05508 901 São Paulo SP

Novas tecnologias de equipamentos de

monitoramento e controle de redes de abastecimento

SISTEMA DE MEDIÇÃO DE ÁGUA

Medidor de vazão

Registrador com

totalizador

INDÚSTRIA

CARACTERÍSTICAS:

§ Instalação da década de 60

§ Diâmetro da tubulação: 600 mm (24 pol)

§ Medidor de vazão do tipo Dall curto

§ Vazão nominal de projeto: 2160 m³/h (600 L/s)

§ Vazão normal de operação: 360 a 540 m³/h (100 a 150 L/s)

§ Diferenças de medição: ?????

Reservatório de água

CONCESSIONÁRIA

ESTUDO DE CASO

Medidor de vazão

Registrador com

totalizador

INDÚSTRIA

CARACTERÍSTICAS:

§ Instalação da década de 60

§ Diâmetro da tubulação: 600 mm (24 pol)

§ Medidor de vazão do tipo Dall curto

§ Vazão nominal de projeto: 2160 m³/h (600 L/s)

§ Vazão normal de operação: 360 a 540 m³/h (100 a 150 L/s)

§ Diferenças de medição: 15 a 20% a favor da Concessionária

Reservatório de água

CONCESSIONÁRIAMedidor de vazão

Sistema de medição computadorizado

SISTEMA DE MEDIÇÃO DE ÁGUAESTUDO DE CASO

SITUAÇÃO ENCONTRADA


SITUAÇÃO APÓS LIMPEZA DO MEDIDOR


SOLUÇÃO:

INSTALAÇÃO DE UM MEDIDOR ELETROMAGNÉTICO MENOR EM PARALELO AO MEDIDOR ATUAL

VANTAGENS:

§ Medidor de tecnologia mais moderna (menor incerteza, maior rangeabilidade, etc)

§ Possibilidade de calibração do medidor (rastreabilidade, confiabilidade)

§ Possibilidade de execução de manutenção em ambos os sistemas de medição

§ Possibilidade de determinação do coeficiente de descarga do medidor Dall

Medidor de vazão menor (10”) em

paralelo

Medidor de vazão

Registrador com

totalizador

Sistema de medição computadorizado

CONCESSIONÁRIA INDÚSTRIA

Reservatório

de água


ACEITAÇÃO DE SISTEMA DE MEDIÇÃO DE VAZÃO

Especificação

Dimensionamento

Normas

Verificação

Configuração

Instalação Documentação

Análise do projetoInspeção

de fornecimento

Inspeção de

operação

Aceitação do sistema de medição

conceito antigo

SISTEMA DE MEDIÇÃO DE ÁGUAPROJETO E OPERAÇÃO

Avaliação preliminar da incerteza

Especificação

Dimensionamento

Normas Certificação de conformidade

Verificação

Medição

Configuração

Instalação

Calibração

Estimativa

Modelo matemático

Fontes de incerteza

Documentação

Análise do projetoInspeção

de fornecimento

Inspeção de

operação

Estimativa da incerteza de

medição

Certificação do sistema de medição

conceito atual

Calibração periódica

SISTEMA DE MEDIÇÃO DE ÁGUAPROJETO, OPERAÇÃO E CERTIFICAÇÃO

l Medir a vazão de um fluido significa medir o fluxo de $$$!

l Comércio de gás natural no Brasil: 40 milhões de std m3/dia.Incerteza acumulada de 1% na medição: 400.000 std m3/diaPreço: R$ 1,00/m3 ⇒ R$400 mil/dia ou R$146 milhões/ano

l Produção de água tratada na RMSP: 63 m3/sIncerteza acumulada de 3% na medição: 163mil m3/diaPreço: R$ 0,50/m3 ⇒ R$82 mil/dia ou R$ 30 milhões/ano

MEDIÇÃO DE VAZÃOPOR QUÊ MEDIR?

•Água tornou-se fluido caro

•Falta de confiabilidade na medição e controle

•Perdas nos sistemas urbanos (30 a 40%)

•Shoppings gastam mais $ com água que eletricidade

•Esgoto é grande problema $, tanto para indústria quanto p/ empresas de saneamento

•Cobrança pelo uso água: captação e lançamentos


O setor de água ainda não se apropriou do conceito de transferência de custódia, que é velho conhecido do setor de petróleo.

Nos próximos anos vamos assistir a uma corrida meio ansiosa na busca de soluções de medição e de rastreabilidaderastreabilidade para a medição de vazão de água.

INMETRO?INMETRO?ANA?ANA?


MEDIDORMEDIDORINSTRUMENTAÇÃO

PROCEDIMENTOS

SOFTWAREINSTALAÇÃO

FLUIDO

RECURSOS HUMANOSFATORES AMBIENTAIS

OUTROS

MEDIÇÃO DE VAZÃOO QUE É?

MEDIÇÃO DE VAZÃO DE LÍQUIDOS

MEDIDOR

VOLUMÉTRICO VAZÃOINSTANTÂNEA

palhetasdiafragma

multirotor

lóbulos engrenagens

vórtice térmicoforça áreavariável

Coriollis

bocal

velocidade

turbina eletromagnético ultra-sônico

diferencialde pressão

tubo dePitot

placa deorifício

resistêncialinear

tubomultifuros

pistãorotativo

pistãorecíproco

tubo deVenturi

disconutante

MEDIÇÃO DE VAZÃOTIPO DE MEDIDORES

MEDIDOR

VOLUMÉTRICO VAZÃOINSTANTÂNEA

vórtice térmicoforça áreavariável

Coriollis

bocal

velocidade

turbina eletromagnético ultra-sônico

diferencialde pressão

tubo dePitot

placa deorifício

resistêncialinear

tubomultifuros

tubo deVenturi

Indústria do petróleo e derivados

Indústria alimentos,química e petroquímicae processos em geral

Indústria da água e saneamento básico


Europa, 1980

Turbina6%

Deslocamento positivo

14%

Ultra-sônico2%

Outros16%

Eletromagnético12%

Placa de orifício48%

Vórtice2%


FATORES RELEVANTES PARA A SELEÇÃO DE UMMEDIDOR DE VAZÃO

I.Exigências e necessidades da medição

II.Condições externas ao conduto

III.Condições internas ao conduto

IV.Local de calibração

V.Acessórios e instalação

VI.Fatores econômicos

MEDIÇÃO DE VAZÃOREQUISITOS

2

1

14

2 4 ρβ

π pdCQ d

∆⋅

−⋅⋅=modelo matemmodelo matemááticotico

ISO 5167ISO 5167

v D d

∆p Tp

MEDIDOR DE VAZÃOTUBO DE VENTURI

v D d

∆pp T

2

1

14

2 4 ρβ

π pdCQ d

∆⋅

−⋅⋅=modelo matemmodelo matemááticotico

ISO 5167ISO 5167

MEDIDOR DE VAZÃOPLACA DE ORIFÍCIO

Vantagens• Relativamente baratos• Conhecidos a mais de século• Resistentes (não tem peças móveis)• Não requerem calibração freqüente• Tem resposta rápida em

escoamentos pulsantes ou intermitente

• Leitura direta de vazão (controle)

Desvantagens• Exatidão pobre (da ordem de 2%)• Provocam perda de carga• Sensíveis ao perfil do escoamento• Range limitado• Depende da qualidade da medida de

pressão• Perda de exatidão com o tempo

(incrustações)

MEDIDOR DE VAZÃOVENTURI - PLACA DE ORIFÍCIO

l E=(4 x B)/(π x D) x Q

l Onde:l E é a força eletromotrizl B é o módulo do campo magnéticol D é o diâmetro do tubol Q é a vazão

l Princípio de funcionamento baseado na lei de Faraday

l Medição de fluidos condutores

l Primeiros medidores apareceram no início dos anos 60

MEDIDOR DE VAZÃOELETROMAGNÉTICO

Vantagens• Medidor de tecnologia bem

desenvolvida e confiável• Sem partes móveis• Boa rangeabilidade (10 até 100:1) • Diâmetros entre 1/10” até 80”• Repetitividade ±0,1% da leitura até

±2,0% do FS• Bom tempo de resposta > 0,2

segundos• perda de carga desprezível• bidirecional

Desvantagens• Interferência de ruídos de fontes

eletromagnéticas e da rede elétrica (necessita aterramento)

• Medidor altamente suscetível ao perfil de velocidades

• Exige trechos retos: >10D a montante e > 5D a jusante

• Exige calibrações sistemáticas• Fluidos condutibilidade elétrica entre

0,05 até 20 mS/cm • problemas com eletrodos


Medição de água bruta, tub. 2,5m de diâmetro,

vazão 18 m³/s.

Entrada de reservatório, tub. 1,5m de diâmetro, vazão 4 m³/s

MEDIDOR DE VAZÃOELETROMAGNÉTICO - APLICAÇÃO

Pás do rotor

Mancais do rotor

Corpo do medidor

Pick up

Suportes dos mancais e aletas guia

Defletor de jusante

RotorPick up

Defletor de montante

Espaçador de jusante

l Medidor desenvolvido durante a 2a Guerra Mundial

l Normalmente utilizado em medições de grandes vazões

MEDIDOR DE VAZÃOTURBINA

MEDIDOR DE VAZÃOTURBINA DE INSERÇÃO

PRINCÍPIO DE OPERAÇÃO

l O escoamento do fluido provoca a rotação do rotor da turbina

l A velocidade angular da pá é proporcional à velocidade do fluido

l A rotação da turbina é medida e convertida em velocidade

onde: V = velocidade do fluidor = raio médio do rotor da turbinaα = ângulo entre o eixo do rotor e a roda do parafuso em rn = número de revoluções por unidade de tempo

V = 2 π r n cotα


Vantagens• Um dos medidores mais versáteis e

de larga faixa de operação disponíveis atualmente

• Normalmente utilizado em medições de grandes vazões

• Diâmetros: 1”a 50”• custo baixo

Desvantagens• Fluido limpo• Medidor que incorpora partes móveis

(desgaste)• Sofre influência da temperatura

devido à variação da viscosidade• Exige calibrações sistemáticas• Medidor altamente suscetível ao perfil

de velocidades• Exige trechos retos: >20D a montante

e > 5D a jusante• Não é padronizado (inserção)

MEDIDOR DE VAZÃOTURBINA DE INSERÇÃO

l Taquimétricos (vazões até 30 m³/h)l Woltmann (vazões acima até 1500 m³/h) l Deslocamento positivo *

l São medidores utilizados namedição doméstica, comercial e industrial de água

TIPOS

l Existe classificação por classemetrológica

* não existe portaria do INMETRO para este tipo de hidrômetro

MEDIDOR DE VAZÃOHIDRÔMETRO

Curva característicaII.

ERRO zona inferior de

erros zona superior de erros

+5% +2%

erros positivos

sobre medição 0

-2%

erros negativos

sub medição

Qmin 30 L/h

Qtransição 120 L/h (Classe “B”)

Qnominal 1500 L/h

Qmax 3000 L/h

-100 %

(Classe “B”)

sem indicação

zona de submedição

Vazão

zona de sobre medição


Vantagens baixo custo fácil manutenção rangeabilidade de até 280:1 tecnologia reconhecida e

certificada pelo INMETRO

Desvantagens deve trabalhar com água limpa• Medidor que incorpora partes

móveis (desgaste) exatidão inferior com relação a

outros medidores de vazão perda de carga pode chegar a 10

mca na vazão máxima


l Efeito Doppler

f1

f2

Vθ

f1 - f2 = 1/t1 - 1/t2 = 2 V f1 cosθ/a a = velocidade do som no meioV = velocidade do fluidof1 = frequência de transmissãof2 = frequência de recepçãoθ = ângulo de incidênciaRTa γ=

MEDIDOR DE VAZÃOULTRA-SÔNICO - EFEITO DOPLLER

l Tempo de Trânsito

a1 = a + V cosθ = L/∆ t1a1, ∆ t1 = veloc. e tempo de propagação do som de A para Ba2, ∆ t2 = veloc. e tempo de propagação do som de B para Aa = velocidade do som no fluido estacionárioV = velocidade do fluido (V << a)θ = ângulo de incidência

a2 = a - V cosθ = L / ∆ t2

VθL

a 1V

a 2

V

A

B

V = L /(2 cosθ) ·(1/t1 - 1/t2)

MEDIDOR DE VAZÃOULTRA-SÔNICO - TEMPO DE TRÂNSITO

l Tipo Tempo de Trânsito entre flanges


Montagem de medidor tipo tempo de trânsito Clamp-on

MEDIDOR ULTRA-SÔNICO

Tipo Tempo de Trânsito sensor molhado


Vantagens• Similar aos medidores eletromag-

néticos, com exceção do tipo por efeito Doppler que possui problemas de repetitividade e reprodutilidade

• Fácil montagem (tipo Clamp On)• Custo praticamente independe do

diâmetro da tubulação• Não necessita parar o escoamento na

montagem

Desvantagens• Custo elevado• Ruídos da válvula reguladora podem

afetar a operação• Medidor altamente suscetível ao perfil

de velocidades• Exige trechos retos: >20D a montante

e > 5D a jusante• Exige calibrações sistemáticas• custo elevado• Tecnologia relativamente recente que

exige treinamento e conhecimento profundo


MEDIDOR DE VAZÃOVÓRTICE

Vantagens• baixo custo de instalação;• boa exatidão;• boa repetitividade a longo tempo;• ampla faixa de vazão em geral;• manutenção mínima, pelo fato de não

possuir partes móveis;• curva de resposta e temperatura

dentro das faixas de trabalho;• instalação relativamente simples.

Desvantagens• não adequado para fluidos com sujeira

ou abrasivos;• não adequado para líquidos viscosos;• faixa de tamanho limitada (50 a 150

mm de diâmetro);• máxima pressão e temperatura;• perda de carga relativamente alta

(comparável à de um tubo Venturi);• resolução limitada.

MEDIDOR DE VAZÃOVÓRTICE

pKm m ∆=&

Nomes comerciais:Annubar, Sonda 4,

Pitot proporcional...

pKQ ∆=

fluxo

HL

+

-∆P

MEDIDOR DE VAZÃOMULTIFUROS

Desvantagens• Medidor altamente suscetível ao perfil

de velocidades;• Exige trechos retos: >10D a montante

e > 5D a jusante;• Exatidão pobre (da ordem de 2%)• Range limitado;• Depende da qualidade da medida de

pressão;• Perda de exatidão com o tempo

(incrustações e risco de entupimento).

Vantagens• Baixo custo de instalação;• Baixa perda de carga;• Disponível para diâmetros de 1” até

80”;• Pode operar com líquidos, gás ou

vapor d’água.


Medição de água bruta, tubulação de 2 m de diâmetro,

vazão de 7,5 m³/s

Medição industrial,

tubulação de 200 mm de diâmetro


Medição de nível ultra-sônica

Calha Parshall e Vertedouros

MEDIDOR DE VAZÃOCANAL ABERTO

CONFIABILIDADE DA MEDIÇÃO DE VAZÃO

Condição necessária. Porém, não suficiente!

PONTO DE MEDIÇÃO LABORATÓRIO DE CALIBRAÇÃO

Medidor a ser calibrado

Medidor calibrado e certificado

conceito atual de calibração

MEDIÇÃO DE VAZÃOCALIBRAÇÃO (AFERIÇÃO?)

PONTO DE MEDIÇÃOLABORATÓRIO

DE CALIBRAÇÃO

Medidor a ser calibrado

Medidor calibradoe certificado

Conceito moderno

Garantia da qualidade metrológica do sistema de medição.


Indústria dopetróleo e gás

natural

SISTEMA DE PITOMETRIA PARA MEDIÇÃO DE VAZÃO

DE ÁGUA


Indústria da água(Saneamento)

SISTEMA DIGITAL DE CALIBRAÇÃO EM CAMPO DE

GRANDES MEDIDORES DE VAZÃO DE ÁGUA


Indústria da água(Saneamento)

Tub

o de

Pito

t Col

e

Secundário domedidor em

teste

y

Bateria

∆Pmax= 500 mmH 2OVmax=1,9 m/s

∆Pmax= 5000 mmH 2OVmax=8,6 m/s

H

L

-

Transdutorde pressão

D1 -

+

+ -

-

ConvesorAnalógico/

Digital

A/D

+

-

+

H

L

-

Transdutorde pressão

D2 -

+

Notebook

+-

A

B

D

C

F

E

G

H

I

JL

M

250

Ω

25 Ω

N

OP

Q

R

S

"shunt" detelemetria Hart

modem

SISTEMA DIGITAL DE CALIBRAÇÃO EM CAMPO DE

GRANDES MEDIDORES DE VAZÃO DE ÁGUA

EP Consolação DN 2100mm

Q = 9 m³/s


Mapeamento com tubo de Pitot Cole Indicação do secundário do medidorVazão incerteza Vazão desvio de indicação(m³/s) (m³/s) (%) (m³/s) (m³/s) (%)0,253 0,006 2,2 0,258 0,005 1,90,398 0,009 2,3 0,399 0,001 0,30,517 0,012 2,2 0,512 -0,006 -1,1

Interpretação dos resultados

- A variação máxima no desvio de indicação, observada nas vazões ensaiadas,é de 3%, valor próximo das incertezas de medição calculadas;

Valor verdadeiro e o médio

Medição


0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00

u/V

c

y/D

0,22 m³/s 0,31 m³/s 0,37 m³/s 0,43 m³/s

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00

u/V

c

y/D

0.45 m³/s 0.63 m³/s 0.84 m³/s 1.07 m³/s

Perfis de velocidade simétricos e assimétricos


7,2%

54%

24%

10,8%10,7%

-9,6%

-7,5%

-13,6%

-22,6%

12,9%

7,0%

0%

-3%

3%

-5%

5%

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900

diâmetro da tubulação da EP (mm)

des

vio

Parshall EletromagnéticoTurbina de inserção Eletromagnético de inserçãoreferência +3% (High)-3% (Low) +4% (HiHi)-4% (LoLo) 10%-10%

MEDIÇÃO DE VAZÃOCALIBRAÇÃO - DESVIOS

6,0%

7,4%

16,3%

3%

5%

2%

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900

diâmetro da tubulação da EP (mm)

ince

rtez

a Parshall Eletromagnético

Turbina de inserção Eletromagnético de inserção

+3% (High) +5% (HiHi)

2% melhor medição

MEDIÇÃO DE VAZÃOCALIBRAÇÃO / INCERTEZA

aplicação desvioadmissível (*)

incerteza expandida damedição com tubo de

Pitot Cole

transferência de custódia ± 2% ±3%transferência interna ± 3% ±4%controle operacional ± 5% ±5%

REAVALIAÇÃO• periodicidade (6 meses, 1 ano, 2 anos, etc)?• carta de controle metrológico (história) para cada estação

de mediçãoAções corretivas

MEDIÇÃO DE VAZÃOCALIBRAÇÃO / RESULTADO

Crescente importância da medição de vazãoAgências reguladoras

• Indústria do petróleo e gás natural - ANP

• Recursos hídricos e saneamento - ANA e Comitê de Bacias

• Indústria - CQ, certificação, competividade, eficiência, redução de custos, etc..

MEDIÇÃO DE VAZÃOCENÁRIO ATUAL - BRASIL

Ampliação do mercado de medidores de vazão• Novos fabricantes, fornecedores e usuários

Capacitação da comunidade metrológica• Congressos, cursos, eventos técnicos, atividades de normalização

Inserção de novas tecnologias de medição e conceitos• Novos medidores (ultra-sônicos, V-cone, térmicos, incorporação de

microprocessadores, com modelos simplificados de CFD, etc)• Automação, padronização de protocolos de comunicação, sistema de

supervisão remota e telemetria• Eficiência energética, cálculo de perdas físicas e não físicas (não

somente estimativas), medição de energia total

MEDIÇÃO DE VAZÃOCENÁRIO ATUAL - BRASIL

Nilson Massami [email protected]

IPT Instituto de Pesquisas TecnológicasCentro de Metrologia de Fluidos

Av. Prof. Almeida Prado, 532 Cidade Universitária05508 901 São Paulo SP

FIMOBRIGADO

novas tecnologias de equipamentos de monitoramento e controle

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