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XI – SEMETRA – Seminário de Metrologia Aeroespacial - CTA/IFI/DCTA

de 30 junho a 02 de julho de 2015

Valter Yoshihiko Aibe, M.Sc.

Núcleo Interdisciplinar em Dinâmica dos Fluidos – NIDF

NIDF/Coope/UFRJ

[email protected]

www.nidf.coope.ufrj.br

“Metrologia na medição de vazão e velocidade de fluidos”

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A confiabilidade nas medições é importante para harmonização das relações de consumo, pesquisa, inovação e competitividade do País.

Através dos seus resultados são realizadas várias ações, tais como:

- avaliação da conformidade;

- determinação das quantidades e as qualidades de produtos transferidos e estabelecidos os valores a serem pagos;

- elaboração e comprovação de teorias científicas;

- desenvolvimento de inovações tecnológicas;

- tomadas decisões sobre os controles de processos de produção, de meios de transporte e comunicação;

- outras atividades.

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A rastreabilidade é a propriedade dum resultado de medição pela qual tal resultado pode ser relacionado a uma referência através duma cadeia ininterrupta e documentada de calibrações, cada uma contribuindo para a incerteza de medição.(VIM - 2012)

4

A incerteza de medição é um parâmetro não negativo que caracteriza a dispersão dos valores atribuídos a um mensurando, com base nas informações utilizadas.(VIM - 2014)

resultados

laboratórios

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Indústria e outros setores

Ensaios

Calibração

Padrões

Nacionais

BIPM

Unidades do SI

Padrões Internacionais

Padrões dos Institutos Nacionaisde Metrologia

Padrões de referência dos laboratóriosde calibração credenciados

Padrões de referência. dos laborat.de ensaio credenciados

Padrões de trabalho doslaboratórios dochão de fábrica

RA

STR

EA

BIL

IDA

DE

CADEIA DE RASTREABILIDADECADEIA DE RASTREABILIDADE

COMPARABILIDADE

DISSEMINAÇÃO

Dinam

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Exemplo de uma cadeia de rastreabilidade

balança do Laborat. A.(1kg 1.000g)

peso padrão de refer. do Lab. A (1kg 300g)

peso padrão de trabalho do Lab. RBC (1kg 150g)

peso padrão de refer. do Lab. RBC (1kg 100g)

peso padrão de trabalho do Lab. da Dimci/Inmetro (1kg 12g)

Protótipo 66 de Pt Ir Padrão nacional de massa (1kg 2,3g)

Padrão internacional de massa (1kg)

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Os Institutos Nacionais de Metrologia INMs - (NMI - National Metrology Institute) fornecem confiabilidade e aceitação das medições

produtos

fornecedor clientepagamento

INM

confiabilidade na medição

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Base de dados da “key comparison” (www.bipm.fr)Acordo de Reconhecimento Mútuo - MRA

fornec.

Comparabilidade entre os INMs

INM - A

cliente

produtos

pagamento

fornec.

INM - B

cliente

produtos

pagamento

produtos

pagamento

produtos

pagamento

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RMO 1

Bureau Internacional des Poids et Measures - Comitê Internacional de Pesos e Medidas - Comitês Consultivos - Grupo de Trabalho - BIPM-CIPM

RMO 2

Comparação Chave - Key Comparison

AFRIMETS, APMP, COOMET, EURAMET e SIM

RMO 3

RMO - Organização Regional de Metrologia

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BIPM/CIPM/CCM/WGFF

Working Group Fluid Flow

•1 Volume liquid flow rate (water and hydrocarbon)

•2 Volume gas flow rate

•3 Mass liquid flow rate (water and hydrocarbon)

•4 Gas flow rate (mass, molar)

•5 Volume of liquid

•6 Mass of liquid

•7 Flow speed (liquid and gas)

•8 Multiphase flow

•9 Heat flow rate

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Resultado da K4-Volume WGFF

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Comitê Consultivo de Pesos e Medidas - BIPM/CIPM

Acordo de Reconhecimento Mútuo CIPM MRA

(Mutual Recognition Arrangement)

International equivalence of measurements: the CIPM MRA (http://www.bipm.org/en/cipm-mra/)

Lista de Capacidades de Calibração e Medição (CMCs) de países membros. A participação dos INMs nas comparações internacionais fornecem evidências das capacidades declaradas.

Base de dados de Comparações Chaves (KCDB - Key comparsion Data Base) (http://kcdb.bipm.org/)

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Demanda pela rastreabilidade na medição dinâmica de fluidos

Portarias do Inmetro e de Agências Reguladoras. ANP - medições na indústria petrolífera; ANA e outros órgãos - medição de água para gerenciamento de recurso hídricos.

Compromisso internacional do Inmetro de implantar laboratórios para participar de comparações interlaboratoriais do WGFF.

Necessidades das diversas áreas: econômicas (primária, segundária e terciária), pesquisas e desenvolvimento.

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LABORATÓRIOS DE CALIBRAÇÃO NA ÁREA DE VAZÃO E VELOCIDADE ACREDITADOS PELA Coordenação Geral de Acreditação - Cgcre/Inmetro segundo ISO-IEC 17025

19 laboratórios acreditados na área de vazão (água, óleo e gás) e velocidade de ar.

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- Prover rastreabilidade na Medição Dinâmica de Fluidos: Padronização e Disseminação das grandezas Volume, Massa, Velocidade e Vazão de Fluidos.

- Participar de comparações interlaboratoriais, fóruns nacionais e internacionais.

- Desenvolver pesquisas científicas.

Importância da Metrologia CientíficaImportância da Metrologia Científica

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- Desenvolver pesquisas científicas para:

I) apoiar desenvolvimento da indústria nacional;

II) formar recursos humanos altamente qualificados;

III) desenvolver métodos de medições e instrumentos;

IV) estudar interações instrumentos / escoamento e

características termofísicas dos fluidos e suas

influências nos resultados das medições;

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V) prover a confiabilidade na medição dinâmica de

fluidos em condições de laboratório e de uso

cotidiano;

VI) ser locus de conhecimento e centro de referência

em medição dinâmica de fluidos, com

reconhecimento nacional e internacional;

VII) contribuir para aperfeiçoamento de normas e

regulamentações.

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Para calibração de um padrão ou um instrumento há necessidade de uma valor de referência rastreado ao SI.

Os valores de referência podem ser dados por:

Medidas materializadas;

Materiais de referência certificados – MRC;

Instrumentos padrão;

Sistemas de medição.

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Na calibração de medidores de vazão, de volume e massa dinamicamente e de velocidade de fluidos não há um padrão materializado nem material de referência.

Há necessidade de uma infraestrutura laboratorial para promover escoamento de fluidos em condições controladas.

O valor de referência pode ser obtida através de medidores padrão ou de um sistema de medição. O desempenho dos medidores podem depender de instalação, pressão, temperatura, condições de escoamento, tipo de fluidos e outros fatores.

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Medição Dinâmica de Fluidos é multidisciplinar:Medição Dinâmica de Fluidos é multidisciplinar: velocidade de fluidos;

vazão volumétrica e vazão mássica;

volume totalizado e massa totalizada .

Medição de movimentos de fluidos em diferentes meios:Medição de movimentos de fluidos em diferentes meios:

em meios confinados: dutos, canais, rios, etc.;

em meios abertos: baías, oceanos, atmosfera, etc.;

em torno de um corpo fixo ou em movimento.

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Medição de escoamento (vazão e velocidade) de Medição de escoamento (vazão e velocidade) de diversos fluidos em diferentes condições de diversos fluidos em diferentes condições de temperatura e pressão:temperatura e pressão:

petróleo, seus derivados e biocombustíveis;petróleo, seus derivados e biocombustíveis; água e efluentes líquidos;água e efluentes líquidos; ar, gás natural e outros gases puros;ar, gás natural e outros gases puros; líquidos criogênicos;líquidos criogênicos; fluidos multifásicos;fluidos multifásicos; ar na baixa pressão e na baixa temperatura com ar na baixa pressão e na baixa temperatura com umidade;umidade; fluidos não newtonianos, etc.fluidos não newtonianos, etc.

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Deslocamento positivo

Pressão diferencial

PRINCÍPIOS DOS MEDIDORES DE VAZÃOPRINCÍPIOS DOS MEDIDORES DE VAZÃO

Diferencial de pressãoDiferencial de pressão

Tubo de VenturiTubo de Venturi Placa de orifícioPlaca de orifício

DiafragmaDiafragma Engrenagens ovais, palhetas, lóbulos, etc.Engrenagens ovais, palhetas, lóbulos, etc.

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Calhas

Área variável Tubinas tubo de Pitot

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Térmico mássico Vortex Coriolis

Eletromagnético Ultrassônico (efeito Doppler e tempo de trânsito)

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Velocidade crítica (bocais de velocidade sônica)

Fluxo laminar

Q = C x P

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PRINCÍPIOS DOS MEDIDORES DE VELOCIDADE DE FLUIDOSPRINCÍPIOS DOS MEDIDORES DE VELOCIDADE DE FLUIDOS

Velocidade crítica (bocais de velocidade sônica)

anemômetro de pás Ultrassônico (tempo de trânsito)

Térmico (filme quente ou fio quente)

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Velocimetria a LASER - DLV

LDV

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Velocimetria por imagens de partículas

PIV

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- VOLUMÉTRICO (tanque provador, provador compacto, provador de esfera e outros tipos)

- GRAVIMÉTRICO (sistema gravimétrico)

- VELOCIMÉTRICO (medição do perfil de velocidade)

PRINCÍPIO DE PADRONIZAÇÃO PRIMÁRIA DAS GRANDEZAS PRINCÍPIO DE PADRONIZAÇÃO PRIMÁRIA DAS GRANDEZAS VAZÃO (volumétrica ou mássica) E QUANTIDADE (volume ou VAZÃO (volumétrica ou mássica) E QUANTIDADE (volume ou massa) TOTALIZADA DE LÍQUIDOSmassa) TOTALIZADA DE LÍQUIDOS

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Vazão de líquidos com sistema gravimétrico, tanque provador, provador de esfera e provador compacto

Líquido:massa, temperatura e

densidade

Ar: temperatura, umidade e pressão

absoluta

tempo e freqüência

Tanques volumétricos

Padrão primário - sistema gravimétrico de

calibração de medidores

Padrão primário - tanques provadores para calibração de

medidores

Provadores compactos ou de esfera para

calibração de medidores de vazão e totalizadores

Tempo e freqüência

medidores de vazão e totalizadores

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Método de calibração secundário de medidores de vazão de líquidos ou gases:

Método por comparação com um medidor padrão

T1 T0P1 P0

n1 k1 f0 n0 k0

padrão

32

Método volumétrico utilizando uma medida materializada de volume (tanques)

T1P1

n1 k1

33

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

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Sistema gravimétrico de padronização de vazão de líquidos

BALANÇA

DESVIADOR

MEDIDOR EM CALIBRAÇÃO

35

BALANÇA

DESVIADOR



36


BALANÇA

DESVIADOR


37

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

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- VOLUMÉTRICO (provador de campânula, provador de pistão, provador de selo líquido e outros tipos de provadores)

- GRAVIMÉTRICO (sistema gravimétrico)

- LEI DE GASES (sistema PVTt - pressão, volume, temperatura e tempo)

- VELOCIMÉTRICO (medição do perfil de velocidade)

PRINCÍPIO DE PADRONIZAÇÃO PRIMÁRIA DAS GRANDEZAS PRINCÍPIO DE PADRONIZAÇÃO PRIMÁRIA DAS GRANDEZAS VAZÃO (volumétrica ou mássica) E QUANTIDADE (volume ou VAZÃO (volumétrica ou mássica) E QUANTIDADE (volume ou massa) TOTALIZADA DE GÁSmassa) TOTALIZADA DE GÁS

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T1P

1

n1 k1

Provador de Campânula

Provador de Pistão

40

Provador de Pistão e Óleo - MNi

41

Sistema gravimétrico de padronização de vazão de gases

Balança

Recipiente com gás sobre pressão

Válvula reguladora de pressão e vazão

Medidor de vazão

42

Sistema PVTt - NIST Sistema PVTt - NMIJ

PV=nRT ni = (Pi V)/(R Ti) nf = (Pf V)/(R Tf)

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

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Cadeia de Rastreabilidade da Grandeza VelocidadeCadeia de Rastreabilidade da Grandeza Velocidade

Velocimetria por Laser pelo efeito Doppler - LDA

Velocimetria pela imagem de partículas - PIV

Velocimetria pelos princípios acústicos

Tubo de Pitot, anemômetros de pás, de fio quente e de filme quente, sensores eletrorresistivos, etc.

Disco Dispositivo sobre trilho

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Ex.: PADRONIZAÇÃO PRIMÁRIA DA GRANDEZA VELOCIDADE - Ex.: PADRONIZAÇÃO PRIMÁRIA DA GRANDEZA VELOCIDADE -

Laboratório de Velocidade do NMIJLaboratório de Velocidade do NMIJ

Disco (V=r.)Dispositivo em trilho

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Disco (V=r.)Dispositivo em trilho

Ex.: PADRONIZAÇÃO PRIMÁRIA DA GRANDEZA VELOCIDADE Ex.: PADRONIZAÇÃO PRIMÁRIA DA GRANDEZA VELOCIDADE


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Ex.: CALIBRAÇÃO DE INSTRUMENTOS DE MEDIR VELOCIDADEEx.: CALIBRAÇÃO DE INSTRUMENTOS DE MEDIR VELOCIDADE


Calibração de anemômetro ultrassônico com anemômetros de referência instalados no túnel de vento. Estes calibrados com LDA.

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www.inmetro.gov.brwww.inmetro.gov.br

Muito obrigado pela atenção de todosFuturhttp://www.nidf.coppe.ufrj.br/

Desafios na medição dinâmica de fluidos:

•Fluidos multifásicos

•Fluidos não Newtonianos

•Micro e nano vazão

•Fluidos criogênicos

•Ar úmido nas grandes altitudes

•Gerenciamento de recursos hídricos

•Efluentes líquidos e emissões de gases

•Monitoramento e previsão de clima

•Mudança global de ambiente

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Valter Yoshihiko Aibe

[email protected]

www.nidf.coppe.ufr.br

www.inmetro.gov.brwww.inmetro.gov.br

Muito obrigado pela atenção de todosFuturhttp://www.nidf.coppe.ufrj.br/

Muito obrigado pela atenção

mailto:[email protected]

50

SitesSites

http://www.inmetro.gov.br/metcientifica/fluidos/index.asp

http://www.inmetro.gov.br/metcientifica/fluidos/labVazao.asp

http://www.inmetro.gov.br/metcientifica/fluidos/labVelFluidos.asp

http://nmi-euroloop.nl/brochures

http://www.nidf.coppe.ufrj.br/

http://www.turbulencia.coppe.ufrj.br/tunel/motivacao.html





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