Calibração de caudalímetros: métodos, fator K, rangeabilidade e intervalos

O que a calibração de um caudalímetro verifica

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

Importa qual saída é calibrada. Um medidor pode dar um caudal, um volume totalizado, uma massa ou um trem de impulsos. 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 registar Conforme ou Não conforme é uma verificação contra uma especificação. Medidores usados em transações comerciais também têm limites legais, tratados mais adiante.

• Calibração vs verificação

As normas e referências

A ISO 4185:1980 descreve a medição de caudal de líquidos pela pesagem do líquido recebido num tanque num tempo conhecido, em forma estática e dinâmica, com o cálculo da incerteza. A ISO indica que foi confirmada em 2019, e há uma segunda edição registada 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. Substituiu a OIML R 119 de 1996.

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

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

Quatro métodos de referência comparados

No método gravimétrico, o líquido é recolhido num tanque sobre uma balança durante um tempo medido. A sequência do NIST estabelece um caudal estável pelo medidor, coloca a balança a zero, comuta um desviador para o tanque e inicia a cronometragem, regista a temperatura da água e as condições do ar para a correção de impulsão, 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 a chegar.

Um tanque volumétrico usa um volume calibrado no lugar da balança (ISO 8316). Os dois métodos recolhem todo o caudal num recipiente, por isso adequam-se mais a um laboratório do que a uma linha em serviço.

Um provador varre um volume conhecido entre detetores 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 intermédio, por isso calibre-o contra outro padrão e confirme que 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, por isso a sua massa volúmica depende da pressão e da temperatura, e um volume de gás diz pouco sem elas. A OIML R 137 chama condições de base à pressão e à 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 recolhida 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 caudalímetros laminares calibrados nos padrões PVTt, de 0,15% a 0,07%.

O gás importa tanto quanto o caudal. 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 caudais abaixo de cerca de 10% do máximo, onde os rolamentos 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 impulsos é o seu número de impulsos por unidade de volume ou de massa. O PTB e o NIST definem-no como a frequência de saída dividida pelo caudal, o que é a mesma coisa (PTB, Engel e Baade, 2006; NIST SP 250-1039). Uma calibração dá o fator K em cada caudal, e o transmissor ou contador do medidor usa-o para converter impulsos em quantidade.

Considere um medidor de turbina ajustado para 100 impulsos por litro. Numa passagem, ele gera 20 000 impulsos enquanto o provador entrega 198,0 L. O medidor indica 200 L, um erro de +1,0%, e o fator K dessa passagem é 20 000 ÷ 198,0 = 101,0 impulsos por litro.

O fator K não é uma constante. Muda com o caudal, 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 a secção 7 da ISO 4267-2, ou diretamente dos volumes provados (6.9).

Quantos caudais de ensaio e o que significa rangeabilidade

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

A rangeabilidade, ou turndown, é a razão entre o maior e o menor caudal 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 caudais de calibração em toda a gama que o medidor realmente vê, inclusive perto da parte de baixo, e não leia o resultado além da gama calibrada. O NIST indica que os seus valores de calibração só valem na gama calibrada.

As recomendações legais definem razões mínimas de caudal, 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 controlo 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).

• Contadores 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).
• Contadores de gás OIML R 137-1&2:2012 na avaliação de modelo e na verificação inicial: do caudal 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 ao caudal de transição, os limites são ±1%, ±2% e ±3% (tabela 2).
• NIST Handbook 44, secção 3.37, tabela T.2, para caudalímetros mássicos: 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.

No local ou em laboratório

Um laboratório oferece caudal, temperatura e fluido controlados, mas não reproduz a sua tubagem. 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 utilizador tem de acrescentar em serviço (SP 250-1039r1). A OIML R 49-1:2024 classifica os contadores de água pela sensibilidade a perfis de velocidade irregulares a montante e a jusante.

O VSL, instituto nacional de metrologia dos Países Baixos, observa que calibrar no local exige ligações 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 paragem. Caso contrário, o medidor vai para um laboratório de calibração ou volta ao fabricante. Na prática, uma calibração no local costuma significar um provador ou um medidor mestre em série com o medidor instalado.

As autoridades também aceitam verificações no local. Nas licenças de lançamento de efluentes dos EUA, o NPDES Compliance Inspection Manual da EPA prevê que os sistemas de medição de caudal 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 externa

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 caudal mostra como o medidor media enquanto estava em uso. Mudar um fator K num transmissor é um ajuste: anote o valor antigo e o novo e repita os caudais 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 conforme. A cláusula 7.1.5.2 da ISO 9001 espera que volte ao que ele mediu e resolva o que possa estar errado. Num caudalímetro, 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 falha a calibração
• Leituras antes do ajuste e após o ajuste

Com que frequência calibrar um caudalímetro

Nenhuma norma define um intervalo único para todos os caudalímetros. 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 contadores de água um período de verificação de 6 anos e aos medidores de gases liquefeitos 1 ano. Os contadores de gás têm 5 anos, salvo se outra linha se aplicar, e os de membrana de 8 a 16 anos, consoante o tamanho. A EPA espera pelo menos uma vez por ano para sistemas de medição de caudal 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, ultrassónicos e eletromagnéticos não precisam dele. Use o histórico antes do ajuste de cada medidor e recalibre depois de uma reparação, de uma mudança de fluido ou de uma mudança de instalação.

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

O que o certificado e o registo devem mostrar

Seja o medidor calibrado num laboratório ou internamente, guarde um registo que permita a outra pessoa repetir a calibração e chegar à mesma decisão. A cláusula 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 a data de validade da sua calibração.
• O fluido, com a sua temperatura, pressão, massa volúmica e viscosidade quando afetarem o resultado.
• Para gás, as condições de base e o gás usado.
• Cada caudal 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 no local, 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 a próxima data de calibração.

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

Onde o Axiospec entra

O Axiospec é um software de gestão de calibração. Guarda cada caudalímetro com o seu histórico de calibrações, os seus certificados e a próxima data de calibração, e cada calibração indica o padrão de referência usado. Um registo de calibração comporta até 100 pontos de ensaio. Cada ponto tem o seu valor nominal, a sua tolerância como banda absoluta, como percentagem do nominal ou como percentagem do span, e as leituras antes do ajuste e após o ajuste, por isso uma calibração de cinco caudais cabe num único registo. O certificado que o Axiospec gera inclui esses pontos.

Numa calibração interna, uma leitura final fora da sua tolerância define o resultado como Não conforme, e registar um Conforme mesmo assim exige um motivo por escrito. Um Não conforme coloca o medidor em quarentena. Um Não conforme, ou um Conforme com uma leitura antes do ajuste fora da tolerância, pede que anote o que o medidor mediu desde a última calibração conforme, 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 consigo ou com o seu laboratório.

O plano gratuito cobre até 50 instrumentos ativos. Um espaço de trabalho novo começa com um período experimental de 45 dias do Professional, com espaço para 1500 instrumentos ativos e sem cartão de crédito. Nós carregamos os seus registos existentes sem custo, em qualquer plano.

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