Calibração de medidores de vazão: métodos, fator K, rangeabilidade e intervalos

O que a calibração de um medidor de vazão verifica

Uma calibração compara o que o medidor indica com uma quantidade de referência de fluido coletada ou deslocada no mesmo período, com vazão, pressão e temperatura estáveis. O NIST informa o resultado como um fator do medidor, a razão entre a vazão calculada com o padrão e a indicação média do medidor, ou o seu inverso (SP 250-73). Em um medidor com saída de pulsos, o mesmo resultado costuma ser expresso como fator K.

Importa qual saída é calibrada. Um medidor pode dar uma vazão, um volume totalizado, uma massa ou um trem de pulsos. O laboratório lê a saída com os seus próprios instrumentos calibrados, e a incerteza deles entra no balanço.

Comparar o erro com um limite e registrar Aprovado ou Reprovado é uma verificação contra uma especificação. Medidores usados em transações comerciais também têm limites legais, tratados mais adiante.

• Calibração x verificação

As normas e referências

A ISO 4185:1980 descreve a medição de vazão de líquidos pela pesagem do líquido recebido em um tanque em um tempo conhecido, em forma estática e dinâmica, com o cálculo da incerteza. A ISO informa que ela foi confirmada em 2019, e há uma segunda edição registrada como projeto (ISO/AWI 4185).

A ISO 8316:1987 descreve a mesma ideia com um tanque volumétrico calibrado. A ISO 9368-1 indica como verificar instalações de pesagem estática.

O OIML D 36:2020 trata dos provadores de tubo, incluindo os de pistão, como padrões para verificar e calibrar medidores. Ele substituiu a OIML R 119 de 1996.

Para medidores sob controle legal, a OIML R 117:2019 abrange sistemas de medição dinâmica de líquidos que não sejam água, a OIML R 49:2024 (publicada em conjunto com a ISO 4064:2024) os medidores de água e a OIML R 137-1&2:2012 os medidores de gás. Nos EUA, a seção 3.37 do NIST Handbook 44 trata dos medidores de vazão mássica.

Os institutos nacionais de metrologia publicam os seus métodos. O NIST descreve os seus padrões de vazão na série SP 250, o PTB opera uma bancada de vazão de água com referências gravimétrica e volumétrica, e o National Engineering Laboratory da TÜV SÜD abriga o padrão nacional britânico de vazão.

Quatro métodos de referência comparados

No método gravimétrico, o líquido é coletado em um tanque sobre uma balança durante um tempo medido. A sequência do NIST estabelece uma vazão estável pelo medidor, zera a balança, comuta um desviador para o tanque e inicia a cronometragem, registra a temperatura da água e as condições do ar para a correção de empuxo, depois inverte o desviador e mede a massa final (SP 250-73). A ISO 4185 também tem uma forma dinâmica, em que a massa vem de pesagens feitas enquanto o líquido ainda está chegando.

Um tanque volumétrico usa um volume calibrado no lugar da balança (ISO 8316). Os dois métodos coletam toda a vazão em um recipiente, por isso combinam mais com um laboratório do que com uma linha em serviço.

Um provador varre um volume conhecido entre detectores com um pistão ou uma esfera. O OIML D 36 descreve os tipos unidirecional, bidirecional, de pequeno volume e de curso completo. O volume base do provador é calibrado primeiro, por water draw, por medidor mestre ou dimensionalmente, e as suas leituras são corrigidas pela temperatura e pela pressão do líquido e do provador. O D 36 recomenda dispositivos de temperatura com incerteza expandida de 0,2 °C ou menos e de pressão de 0,05 MPa ou menos (6.3, 6.4), e passagens prévias suficientes para eliminar gases e estabilizar a temperatura do líquido (6.6).

Um medidor mestre é um medidor calibrado em série com o medidor em ensaio. O OIML D 36 (5.3.2) descreve a mesma ideia para calibrar um provador: o medidor mestre é apenas um elo intermediário, então calibre-o contra outro padrão e confirme que ele está estável antes e depois do trabalho.

• Calculadora de TUR e TAR
• Como montar um balanço de incerteza de medição

Líquido ou gás: o que muda

O gás é compressível, então a sua massa específica depende da pressão e da temperatura, e um volume de gás diz pouco sem elas. A OIML R 137 chama de condições de base a pressão e a temperatura para as quais um volume é convertido (3.2.19). Veja quais delas o medidor e o certificado usam.

Os padrões primários de gás do NIST são sistemas PVTt, que enchem um tanque de volume conhecido durante um tempo medido e calculam a massa coletada a partir da pressão e da temperatura. Os padrões de 34 L e 677 L têm incerteza de 0,025% e o de 26 m³ de 0,09% (k = 2). O seu Working Gas Flow Standard usa venturis de fluxo crítico e medidores de vazão laminares calibrados nos padrões PVTt, de 0,15% a 0,07%.

O gás importa tanto quanto a vazão. A OIML R 137-1&2 só admite a verificação com ar ou com outro gás se a diferença em relação ao gás em uso ficar dentro de um terço do erro máximo admissível, ou se for aplicada uma correção (12.5.2.3, 13.1.3). Nos líquidos há um efeito parecido, pela viscosidade. O relatório-modelo do NIST para um medidor de turbina observa que vazões abaixo de cerca de 10% do máximo, onde os mancais dominam, têm incerteza adicional por viscosidade. Isso é uma estimativa aproximada, e só uma calibração em dois fluidos de viscosidade diferente mostra isso para um medidor específico (SP 250-1039r1).

Fator K e fator do medidor

O fator K de um medidor com saída de pulsos é o seu número de pulsos por unidade de volume ou de massa. O PTB e o NIST o definem como a frequência de saída dividida pela vazão, o que é a mesma coisa (PTB, Engel e Baade, 2006; NIST SP 250-1039). Uma calibração dá o fator K em cada vazão, e o transmissor ou contador do medidor o usa para converter pulsos em quantidade.

Considere um medidor de turbina ajustado para 100 pulsos por litro. Em uma corrida, ele gera 20.000 pulsos enquanto o provador entrega 198,0 L. O medidor indica 200 L, um erro de +1,0%, e o fator K dessa corrida é 20.000 ÷ 198,0 = 101,0 pulsos por litro.

O fator K não é uma constante. Ele muda com a vazão, e o artigo do PTB mostra que ele se desloca com a temperatura pela dilatação térmica do corpo do medidor. O NIST apresenta medidores de turbina em forma adimensional, número de Strouhal em função do número de Roshko, para que o resultado sirva com outro líquido ou outra temperatura (SP 250-1039r1). O OIML D 36 permite calcular o erro de um sistema de medição a partir de um fator do medidor determinado segundo o item 7 da ISO 4267-2, ou diretamente dos volumes provados (6.9).

Quantas vazões de ensaio e o que significa rangeabilidade

Uma calibração normal de líquidos do NIST usa cinco vazões, cinco médias das leituras em cada uma e toda a sequência repetida em uma segunda ocasião, com a vazão ajustada para cima em um conjunto e para baixo no outro. O serviço de gás do NIST usa cinco vazões com três ou mais medições em cada uma, em duas ocasiões. Ele raramente trabalha com menos de três vazões e dois conjuntos de três medições (SP 250-1039r1). Espere a estabilidade primeiro: o procedimento de provador de pistão do NIST exige que o fator do medidor fique dentro de 0,2% antes de coletar dados.

A rangeabilidade, ou turndown, é a razão entre a maior e a menor vazão em que um medidor mantém a sua exatidão. Um medidor de 100 L/min com turndown de 20:1 é especificado até 5 L/min. Escolha vazões de calibração em toda a faixa que o medidor realmente vê, inclusive perto da parte de baixo, e não leia o resultado além da faixa calibrada. O NIST informa que os seus valores de calibração só valem na faixa calibrada.

As recomendações legais definem razões mínimas de vazão, mostradas na tabela. Um medidor de água tem também zonas. A OIML R 49-1:2024 fixa Q2/Q1 em 1,6 e Q4/Q3 em 1,25 (4.1.5, 4.1.6), de modo que a zona inferior vai de Q1 a Q2 e a zona superior de Q2 a Q4.

Limites de erro para medidores sob controle legal

Se um medidor é usado em transações comerciais ou é regulamentado de outra forma, o limite de erro vem da recomendação ou da regra nacional aplicável. A OIML R 117-1:2019 dá um limite para o sistema de medição completo e um mais rigoroso para o medidor sozinho, para quantidades de pelo menos 2 L ou 2 kg (tabela 3).

• Medidores de água OIML R 49-1:2024: a classe 1 admite ±1% na zona superior e ±3% na zona inferior, a classe 2 admite ±2% e ±5%. Acima de 30 °C, os limites da zona superior passam a ±2% e ±3% (4.2.2, 4.2.3).
• Medidores de gás OIML R 137-1&2:2012 na avaliação de modelo e na verificação inicial: da vazão de transição até Qmax, a classe 0,5 admite ±0,5%, a classe 1 ±1% e a classe 1,5 ±1,5%. De Qmin até a vazão de transição, os limites são ±1%, ±2% e ±3% (tabela 2).
• NIST Handbook 44, seção 3.37, tabela T.2, para medidores de vazão mássica: a classe de exatidão 0,3 tem tolerância de aceitação de 0,2% e tolerância de manutenção de 0,3%, e a classe 0,5 de 0,3% e 0,5%.
• Repetibilidade: a OIML R 117-1:2019 limita o erro de repetibilidade de um medidor a dois quintos do valor da linha A para quantidades de pelo menos 5 vezes a quantidade medida mínima, e o Handbook 44 T.3 limita a amplitude de ensaios repetidos a 40% da tolerância de manutenção.

Em campo ou em laboratório

Um laboratório oferece vazão, temperatura e fluido controlados, mas não reproduz a sua tubulação. O NIST cita os efeitos de instalação, as mudanças de longo prazo e os efeitos da temperatura no medidor entre as componentes de incerteza que o usuário precisa acrescentar em serviço (SP 250-1039r1). A OIML R 49-1:2024 classifica os medidores de água pela sensibilidade a perfis de velocidade irregulares a montante e a jusante.

O VSL, instituto nacional de metrologia da Holanda, observa que calibrar em campo exige conexões de processo especiais para o equipamento móvel, e que, se o medidor não puder ser removido durante a operação, o trabalho pode ter de esperar uma parada. Caso contrário, o medidor vai para um laboratório de calibração ou volta ao fabricante. Na prática, uma calibração em campo costuma significar um provador ou um medidor mestre em série com o medidor instalado.

As autoridades também aceitam verificações em campo. Nas licenças de lançamento de efluentes dos EUA, o NPDES Compliance Inspection Manual da EPA prevê que os sistemas de medição de vazão da instalação sejam calibrados por uma fonte qualificada pelo menos uma vez por ano, e um inspetor pode comparar um medidor com um medidor portátil de cinta e esperar concordância dentro de ±10 por cento (capítulo 6, EPA 305-K-17-001).

• Calibração para água e efluentes
• Calibração para petróleo e gás
• Calibração interna ou terceirizada

Leituras antes do ajuste, ajuste e um medidor fora da tolerância

Calibre antes de ajustar. O fator K ou o erro antes do ajuste em cada vazão mostra como o medidor media enquanto estava em uso. Mudar um fator K em um transmissor é um ajuste: anote o valor antigo e o novo e repita as vazões após o ajuste. A OIML R 117-1:2019 diz que um dispositivo de ajuste só pode ser usado para levar os erros o mais perto possível de zero, e proíbe ajustar por meio de um bypass do medidor.

Se algum erro antes do ajuste estiver fora do limite, o medidor ficou fora da tolerância durante uma parte desconhecida do tempo desde a sua última calibração aprovada. O requisito 7.1.5.2 da ISO 9001 espera que você volte ao que ele mediu e resolva o que possa estar errado. Em um medidor de vazão, veja o que as suas leituras controlavam, como quantidades de lote, dosagens, volumes de transferência de custódia ou números de um relatório às autoridades.

• O que fazer quando um instrumento é reprovado na calibração
• Leituras antes do ajuste e após o ajuste

Com que frequência calibrar um medidor de vazão

Nenhuma norma define um intervalo único para todos os medidores de vazão. O VSL diz que o intervalo é definido para que o medidor fique dentro dos limites de exatidão e tolerância dos procedimentos da empresa que o usa. A ILAC-G24:2022 / OIML D 10:2022 lista os fatores a considerar, entre eles a tendência ao desgaste e à deriva, a extensão e a severidade do uso e o ambiente (5.1).

As autoridades definem períodos para alguns medidores. A Mess- und Eichverordnung alemã (MessEV, Anlage 7) dá aos medidores de água um período de verificação de 6 anos e aos medidores de gases liquefeitos 1 ano. Os medidores de gás têm 5 anos, salvo se outra linha se aplicar, e os de diafragma de 8 a 16 anos, conforme o tamanho. A EPA espera pelo menos uma vez por ano para sistemas de medição de vazão de efluentes.

A deriva depende do projeto. A OIML R 117-1:2019 exige ensaio de durabilidade só para medidores com partes móveis no líquido e diz que medidores Coriolis, ultrassônicos e eletromagnéticos não precisam dele. Use o histórico antes do ajuste de cada medidor e recalibre depois de um reparo, de uma mudança de fluido ou de uma mudança de instalação.

• Como definir intervalos de calibração
• Verificações intermediárias entre calibrações
• Calculadora de intervalo de calibração
• Calculadora de taxa de deriva e intervalo de calibração

O que o certificado e o registro devem mostrar

Seja o medidor calibrado em um laboratório ou internamente, guarde um registro que permita a outra pessoa repetir a calibração e chegar à mesma decisão. O requisito 7.8 da ISO/IEC 17025:2017 define o conteúdo geral de um certificado de calibração. Os relatórios do NIST acrescentam a incerteza do fator de calibração e as condições do ensaio.

• A identificação, o diâmetro, o tipo e a saída calibrada do medidor, com o fator K ou o span configurados antes do ajuste.
• O método, por exemplo gravimétrico ou medidor mestre, e a referência usada com a sua identificação e o vencimento da sua calibração.
• O fluido, com a sua temperatura, pressão, massa específica e viscosidade quando afetarem o resultado.
• Para gás, as condições de base e o gás usado.
• Cada vazão com a quantidade de referência, a leitura do medidor, o erro ou o fator K e a repetibilidade.
• A instalação, se o trabalho foi feito em campo, incluindo o trecho reto a montante ou o condicionador de fluxo.
• Os resultados antes do ajuste e após o ajuste e o fator K antes e depois de qualquer ajuste.
• A incerteza, a data, quem fez o trabalho e o próximo vencimento.

• Modelo de certificado de calibração (Excel)
• Requisitos do certificado de calibração

Onde o Axiospec entra

O Axiospec é um software de gestão de calibração. Ele guarda cada medidor de vazão com o seu histórico de calibrações, os seus certificados e o próximo vencimento, e cada calibração indica o padrão de referência usado. Um registro de calibração comporta até 100 pontos de teste. Cada ponto tem o seu valor nominal, a sua tolerância como faixa absoluta, como porcentagem do nominal ou como porcentagem do span, e as leituras antes do ajuste e após o ajuste, então uma calibração de cinco vazões cabe em um único registro. O certificado que o Axiospec gera lista esses pontos.

Em uma calibração interna, uma leitura final fora da sua tolerância define o resultado como Reprovado, e registrar um Aprovado mesmo assim exige um motivo por escrito. Um Reprovado coloca o medidor em quarentena. Um Reprovado, ou um Aprovado com uma leitura antes do ajuste fora da tolerância, pede que você anote o que o medidor mediu desde a última calibração aprovada, e os que ainda não foram escritos aparecem em Requer atenção. O Axiospec não faz o ensaio, não calcula o fator K nem escolhe o método ou o intervalo. Isso fica com você ou com o seu laboratório.

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