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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
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)
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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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Importância da Metrologia CientíficaImportância da Metrologia Científica
- 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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Importância da Metrologia CientíficaImportância da Metrologia Científica
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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PRINCÍPIOS DOS MEDIDORES DE VAZÃOPRINCÍPIOS DOS MEDIDORES DE VAZÃO
Calhas
Área variável Tubinas tubo de Pitot
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PRINCÍPIOS DOS MEDIDORES DE VAZÃOPRINCÍPIOS DOS MEDIDORES DE VAZÃO
Térmico mássico Vortex Coriolis
Eletromagnético Ultrassônico (efeito Doppler e tempo de trânsito)
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PRINCÍPIOS DOS MEDIDORES DE VAZÃOPRINCÍPIOS DOS MEDIDORES DE VAZÃO
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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PRINCÍPIOS DOS MEDIDORES DE VELOCIDADE DE FLUIDOSPRINCÍPIOS DOS MEDIDORES DE VELOCIDADE DE FLUIDOS
Velocimetria a LASER - DLV
LDV
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PRINCÍPIOS DOS MEDIDORES DE VELOCIDADE DE FLUIDOSPRINCÍPIOS DOS MEDIDORES DE VELOCIDADE DE FLUIDOS
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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30
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
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Método volumétrico utilizando uma medida materializada de volume (tanques)
T1P1
n1 k1
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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
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35
BALANÇA
DESVIADOR
MEDIDOR EM CALIBRAÇÃO
Sistema gravimétrico de padronização de vazão de líquidos
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Sistema gravimétrico de padronização de vazão de líquidos
BALANÇA
DESVIADOR
MEDIDOR EM CALIBRAÇÃO
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Métodos por velocidade levantando o perfil de velocidade e área de escoamento de fluidos
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38
- 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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39
T1P
1
n1 k1
Provador de Campânula
Provador de Pistão
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40
Provador de Pistão e Óleo - MNi
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41
Sistema gravimétrico de padronização de vazão de gases
Balança
Recipiente com gás sobre pressão
Válvula reguladora de pressão e vazão
Medidor de vazão
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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
Laboratório de Velocidade do NMIJLaboratório de Velocidade do NMIJ
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Ex.: CALIBRAÇÃO DE INSTRUMENTOS DE MEDIR VELOCIDADEEx.: CALIBRAÇÃO DE INSTRUMENTOS DE MEDIR VELOCIDADE
Laboratório de Velocidade do NMIJLaboratório de Velocidade do NMIJ
Calibração de anemômetro ultrassônico com anemômetros de referência instalados no túnel de vento. Estes calibrados com LDA.
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48
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
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
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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