Post on 23-Oct-2015
Nilson Massami Tairanmtaira@ipt.br
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
SISTEMA DE MEDIÇÃO DE ÁGUAESTUDO DE CASO
SITUAÇÃO APÓS LIMPEZA DO MEDIDOR
SISTEMA DE MEDIÇÃO DE ÁGUAESTUDO DE CASO
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
SISTEMA DE MEDIÇÃO DE ÁGUAESTUDO DE CASO
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
MEDIÇÃO DE VAZÃOPOR QUÊ MEDIR?
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?
MEDIÇÃO DE VAZÃOPOR QUÊ MEDIR?
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
MEDIÇÃO DE VAZÃOTIPO DE MEDIDORES
Europa, 1980
Turbina6%
Deslocamento positivo
14%
Ultra-sônico2%
Outros16%
Eletromagnético12%
Placa de orifício48%
Vórtice2%
MEDIÇÃO DE VAZÃOTIPO DE MEDIDORES
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
MEDIDOR DE VAZÃOELETROMAGNÉTICO
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
MEDIDOR DE VAZÃOELETROMAGNÉTICO
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
MEDIDOR DE VAZÃOHIDRÔMETRO
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
MEDIDOR DE VAZÃOHIDRÔMETRO
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
MEDIDOR DE VAZÃOULTRA-SÔNICO - TEMPO DE TRÂNSITO
Montagem de medidor tipo tempo de trânsito Clamp-on
MEDIDOR ULTRA-SÔNICO
Tipo Tempo de Trânsito sensor molhado
MEDIDOR DE VAZÃOULTRA-SÔNICO - TEMPO DE TRÂNSITO
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 VAZÃOULTRA-SÔNICO - TEMPO DE TRÂNSITO
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.
MEDIDOR DE VAZÃOMULTIFUROS
Medição de água bruta, tubulação de 2 m de diâmetro,
vazão de 7,5 m³/s
Medição industrial,
tubulação de 200 mm de diâmetro
MEDIDOR DE VAZÃOMULTIFUROS
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.
MEDIÇÃO DE VAZÃOCALIBRAÇÃO (AFERIÇÃO?)
Indústria dopetróleo e gás
natural
SISTEMA DE PITOMETRIA PARA MEDIÇÃO DE VAZÃO
DE ÁGUA
MEDIÇÃO DE VAZÃOCALIBRAÇÃO (AFERIÇÃO?)
Indústria da água(Saneamento)
SISTEMA DIGITAL DE CALIBRAÇÃO EM CAMPO DE
GRANDES MEDIDORES DE VAZÃO DE ÁGUA
MEDIÇÃO DE VAZÃOCALIBRAÇÃO (AFERIÇÃO?)
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
MEDIÇÃO DE VAZÃOCALIBRAÇÃO (AFERIÇÃO?)
SISTEMA DIGITAL DE CALIBRAÇÃO EM CAMPO DE
GRANDES MEDIDORES DE VAZÃO DE ÁGUA
EP Consolação DN 2100mm
Q = 9 m³/s
MEDIÇÃO DE VAZÃOCALIBRAÇÃO (AFERIÇÃO?)
MEDIÇÃO DE VAZÃOCALIBRAÇÃO (AFERIÇÃO?)
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
MEDIÇÃO DE VAZÃOCALIBRAÇÃO (AFERIÇÃO?)
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
MEDIÇÃO DE VAZÃOCALIBRAÇÃO (AFERIÇÃO?)
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 Tairanmtaira@ipt.br
IPT Instituto de Pesquisas TecnológicasCentro de Metrologia de Fluidos
Av. Prof. Almeida Prado, 532 Cidade Universitária05508 901 São Paulo SP
FIMOBRIGADO