Qual a importância da calibração de medidores de vazão na indústria de processo e manufatura?

Introdução

As medidas de capacidade de volume são de fundamental importância para a indústria de processo e de modo geral para todos os segmentos industriais e a calibração destes medidores deve ser realizada de forma periódica. Estas medições são utilizadas para comercialização de líquidos, para calibração de medidores de vazão e totalizadores de volume, para verificação e aprovação de modelos na metrologia legal, e em outras aplicações. Assim sendo, a medição de volume é um fator importante para a garantia da qualidade de produtos e serviços em muitos processos produtivos, nos ensaios e nas calibrações, tendo importância, em termos financeiros. Instrumentos de baixa qualidade ou inadequados para uma determinada aplicação podem causar grandes prejuízos financeiros.

Podemos citar aqui vários exemplos e dentre eles, referenciamos a Indústria de Petróleo. Hoje a produção média de petróleo no Brasil, é de aproximadamente de 2,4 milhões de barris de petróleo diários, se considerarmos um valor médio de 90 dólares por barril, teremos uma produção estimada de 216 milhões de dólares por dia. Desta forma se houver 0,25% de erro nas medições realizadas com os medidores de vazão, o prejuízo diário será de cerca de 0,54 milhões de dólares e o prejuízo anual (365 dias) será próximo de 197,1 milhões de dólares. Desta forma, podemos afirmar que a qualidade principal de um instrumento de medição de vazão é a de medir com o mínimo erro. Vale lembrar que existem outros exemplos de medições que poderíamos citar não apenas em termos de valores, como em termos de qualidade do produto final.

Contudo com o desenvolvimento tecnológico por parte dos vários fabricantes de medidores de vazão, observamos que as incertezas de medições de vazão estão diminuindo, devido as exigências em termos de conhecer e melhorar a incerteza dos instrumentos de medição. Entretanto, pôr melhor que sejam as características de um instrumento de medição, este sempre apresentará erros. A perfeita caracterização destes erros é de grande importância para que o resultado da medição possa ser determinado de maneira segura.

Embora, em alguns casos, os erros de um instrumento de medição possam ser analítica ou numericamente calculados, na prática são utilizados procedimentos experimentais quase que exclusivamente.

Calibração

O propósito deste artigo é apresentar de forma objetiva e resumida a maneira como a calibração de medidores de vazão deve ser realizada e de que modo ela contribui positivamente para a qualidade nos processos industriais. A calibração pode ser caracterizada pelo conjunto de operações que estabelecem, sob condições especificadas no teste ou avaliação de um instrumento de medição, com referência de outro instrumento de medição da mesma variável de processo que seja um padrão rastreado.

Podemos afirmar que no caso de medidores de vazão, 100% destes instrumentos irão perder ao longo do tempo suas características de medição mencionada no catálogo de referencia / manual do fabricante. Desta forma estes equipamentos devem necessariamente ser calibrados periodicamente para não comprometer a qualidade do processo industrial ao qual estão instalados.

Fator de calibração de medidores de vazão

Atualmente existem vários tipos de tecnologias para executar a medição de vazão e devemos ter claro que existem medidores com e sem Fator K. Há medidores que possuem o fator K, que relaciona a vazão com a grandeza física gerada. A desvantagem desta classe de medidores é a necessidade de outro medidor padrão de vazão / peso / volume, para a sua calibração periódica. São exemplos de medidores com fator K:

• Medidores Tipo Turbina
• Medidores Tipo Eletromagnético
• Medidores Tipo Coriolis (mássicos)
• Medidores Tipo Vortex

Já os sistemas de medição de vazão sem Fator K, podemos referenciar os elementos deprimogênicos. O mais tradicional exemplo é a placa de orifício. A mesma é dimensionada a partir de equações matemáticas e dados experimentais disponíveis e podemos afirmar que a grande vantagem da medição com placa de orifício é a sua calibração direta, sem necessidade de simulação de vazão conhecida ou de medidor padrão de referência.

Calibração de medidores de vazão

A exatidão de qualquer medição é o grau de concordância entre o resultado de uma medição e um valor verdadeiro do mensurando. Logo a manutenção de medidores de vazão que estão envolvidos de forma direta e indireta nas operações unitárias e na qualidade do produto final do processo produtivo é de fundamental importância. O desempenho de todo o sistema depende diretamente da exatidão de cada componente.

Embora o equipamento de medição muito exato tenha um valor elevado, o usuário sempre deve trabalhar para melhor especificar o equipamento para a sua necessidade, pois baratear este equipamento significa piorar o seu desempenho e diminuir sua exatidão.

Porém ter o instrumento calibrado é fundamental e os principais motivos para justificar a calibração de um medidor de vazão são:

• Garantir de que a medição do instrumento seja mais exata possível;
• Melhorar e manter a qualidade do sistema que depende da medição do instrumento;
• Atendimento de exigências legais ou de contratos comerciais, principalmente quando está envolvida a compra e venda de produtos através da medição.

Comprovação metrológica

Comprovação ou confirmação metrológica é o conjunto de operações necessárias para assegurar-se que um dado equipamento de medição está em condições de conformidade com os requisitos para o uso pretendido.

Efetuar a calibração em laboratórios que são acreditados pela Rede Brasileira de Calibração ou que possuem rastreabilidade de seus padrões, fundamentalmente possuem procedimentos e política de qualidade, e que atenda a todos os requisitos da norma NBR-ISO/IEC 17025 é simplesmente obrigatório.

Tipos de calibração

1. Calibração de Forma Direta e Indireta

A calibração direta com a fonte de entrada conhecida é da mesma ordem de exatidão que a calibração primária. Os equipamentos que são calibrados diretamente são também usados como dispositivos de calibração secundária. Por exemplo, um medidor coriolis ou eletromagnético que efetua medição de vazão pode ser diretamente calibrado, usando uma medição primária, tal como o método do tanque gravimétrico. Depois, estes medidores podem ser usados para a calibração secundária de outros medidores, tais como os próprios medidores eletromagnéticos, coriolis, entre outros como medidores tipo turbina, tipo vortex, através do método comparativo. A calibração indireta é baseada na equivalência de dois diferentes equipamentos que podem ser empregados para medir uma determinada quantidade física. Por exemplo, a exigência da similaridade dinâmica entre dois medidores de vazão geometricamente similares é obtida através da igualdade dos números de Reynolds. Assim, se pode prever o desempenho de um medidor em função do estudo experimental de outro ou se pode calibrar um medidor usando outro líquido diferente que o do processo.

2. Calibração de Rotina

A calibração de rotina é o procedimento de verificar periodicamente a condição de funcionamento do instrumento, comparando-o com padrões conhecidos e facilmente reproduzíveis. A calibração envolve vários itens como a verificação da leitura e da magnitude da saída. Na calibração feita segundo procedimentos escritos; tipicamente são executados os seguintes passos:

• Inspeção visual do instrumento para os defeitos físicos explícitos e óbvios;
• Verificação do instrumento quanto a instalação, de acordo com as recomendações da literatura do fabricante e das normas de engenharia;
• Ajuste de zero, da largura de faixa, da linearidade dos indicadores, quando aplicável;
• Testes operacionais para detectar defeitos maiores.

3. Calibração Interna ou Externa

A calibração pode ser realizada da seguinte forma:

• Pelo próprio usuário, utilizando instrumentos adequados, procedimentos de trabalho e padrões de laboratório rastreáveis;
• Por um laboratório na qual cuja seus padrões sejam rastreáveis a Rede Brasileira de Calibração ou órgãos reconhecidamente aceitáveis como as conceituadas Redes de Calibração Estaduais, como:

Justifica-se calibrar nas próprias oficinas do usuário:

• Instrumentos que não estejam envolvidos na forma direta ou indireta na qualidade do produto final;
• Equipamentos utilizados em monitoramento de variáveis na qual possam ser calibrados com os padrões disponíveis na própria Unidade Industrial;
• Quando a quantidade de instrumentos é muito grande, justificando economicamente ter um laboratório para a calibração periódica destes instrumentos.
• Pelo fabricante do instrumento, desde que efetue sua calibração de acordo com a Normas Nacionais e Internacionais.

Vários são os órgãos que atuam em melhorar a capacidade técnica dos usuários de forma Estadual e Nacional e podemos citar várias referencias como:

• INMETRO
• Rede Metrológica Alagoas
• SBM – Sociedade Brasileira de Metrologia
• Rede Baiana de Metrologia e Ensaios
• RMCE – Associação Rede Cearense de Laboratórios de Metrologia
• RCM – Associação Rede Capixaba de Metrologia e Ensaios
• Rede Metrológica de Goiás
• Rede Metrológica de Minas Gerais
• Rede Metrológica do Pará
• REMEQ-PB – Rede de Metrologia e Qualidade da Paraíba
• REMEPE – Rede Metrológica de Pernambuco
• Rede Metrológica do Piauí
• Rede Paranaense de Metrologia e Ensaios Rio-Metrologia
• Rede de Metrologia do Rio de Janeiro
• Rede Metrológica do Rio Grande do Norte
• Rede Metrológica do Rio Grande do Sul
• RMSC – Rede Metrológica de Santa Catarina
• REMESP - Rede Metrológica de São Paulo

ASPECTOS TÉCNICOS E COMERCIAIS

A calibração de um instrumento possui dois tipos, sendo:

• Técnico
• Comercial

O enfoque comercial envolve os aspectos de datas, intervalos de calibração, manutenção de banco de dados atualizados, registro de relatórios e certificados de calibração, garantia da existência e principalmente do uso dos procedimentos.

Já o enfoque técnico da calibração envolve as classes de exatidão relativas do padrão e do instrumento sob calibração, elaboração técnica dos procedimentos claros e simples, manutenção e preservação dos padrões, estudo estatístico dos relatórios para verificar erros aleatórios e sistemáticos.

Um programa de calibração reúne estes dois aspectos técnico e comercial e cuida de materiais, equipamentos, instrumentos, procedimentos, condições ambientais e pessoas. Este sistema deve garantir a utilização de padrões de referência para calibração do instrumento de medição e teste. Esta calibração, por sua vez, deve ter seus padrões rastreável a um laboratório da Rede Brasileira de Calibração ou ainda ser derivada de valores

aceitos por associações reconhecidas nacionalmente. Para garantir uniformidade de desempenho e continuidade operacional, todos os procedimentos associados à calibração devem ser devidamente documentados.

Os parâmetros a serem definidos são:

1. Fixar intervalos de calibração adequados e compatíveis com a realidade dos instrumentos, padrões e processos envolvidos;

2. Listar todos os padrões de referência com nomenclatura própria e números de identificação;

3. Fornecer ambiente adequado para a calibração, mantendo temperatura, pressão, umidade e dentro de faixas estreitas e definidas;

4. Fazer procedimentos de calibração para todos os instrumentos e padrões;

5. Seguir os procedimentos na hora de fazer as calibrações, gerando relatórios e documentos simples, objetivos e claros;

6. Prover meios de verificação dos equipamentos e padrões, incluindo cross-checking, periodicamente;

7. Corrigir imediatamente as irregularidades encontradas;

8. Usar etiquetas coláveis ou fixáveis, dependuradas, indicando o status da calibração;

9. Fazer formulários para serem preenchidos como registros, folhas de dados, relatórios de ensaios, certificados, comunicação de não-conformidade.

Requisitos técnicos da calibração

A condição fundamental para uma calibração válida é que o padrão de referência esteja calibrado e que seja de melhor qualidade que o aparelho sob calibração.

A calibração correta e confiável de um instrumento ou de um padrão deve atender aos seguintes requisitos:

1. Possuir padrões rastreados para comparação das medições feitas;

2. Ser efetuada em ambiente com temperatura, pressão e umidade controladas;

3. Ser realizada por especialista habilidoso e experiente;

4. Seguir procedimentos claros e objetivos, escritos pelo executante da calibração;

5. Possuir um período de tempo de validade, após o qual deve ser refeita;

6. Possuir registros documentados e arquivados para evidenciar sua execução.

7. O laboratório deve possuir Sistema de Qualidade adequado para que sua calibração seja válida e confiável, satisfazendo todas as exigências em acordo com os requisitos da NBR ISO/IEC 17025.

Outros aspectos devem também ser seguidos, como:

a) Intervalos de Calibração

Os instrumentos de medição industriais devem ser calibrados periodicamente por instrumentos de teste de trabalho. Os instrumentos de trabalho devem ser calibrados periodicamente por padrões secundários ou de transferência. Os instrumentos de transferência secundária devem ser calibrados com padrões primários ou de referência. Os períodos de cada calibração dependem da qualidade do instrumento, das condições ambientais, do treinamento do pessoal envolvido, do tipo da indústria, da idade dos instrumentos, da manutenção corretiva dos instrumentos.

Os períodos não são imutáveis e nem fixos. Podem ser alterados em função de:

1. Legislação vigente;

2. Recomendações do próprio fabricante;

3. Freqüência de utilização (maior uso implica em períodos mais curtos). Uso incorreto requer re-calibração imediata;

4. Características de construção do instrumento; instrumento mais frágil requer calibrações mais freqüentes; instrumentos com peças móveis requerem calibrações mais freqüentes;

5. Exatidão dos instrumentos em relação à tolerância do produto ou da medição; menor tolerância do produto, calibração mais freqüente dos instrumentos envolvidos;

6. Condições de processo agressivas, como em situações que o equipamento é submetido a efeitos de corrosão, abrasão, altas condições de pressão e temperatura requerem calibrações mais freqüentes;

7. Medição envolvendo segurança, menor período de calibração; medição envolvendo vidas humanas, obrigação legal de calibração, geralmente com períodos definidos por lei.

b) Condições Ambientais

As condições de calibração do instrumento ou padrão inferior devem ser as recomendadas pelos procedimentos e pelos fabricantes do instrumento. A área deve ser limpa, sem vibração mecânica, sem interferências eletrostáticas e eletromagnéticas quando houver envolvimento de equipamentos elétricos e com a temperatura na faixa de 17 a 21°C e umidade relativa entre 35 e 55%. Estas exigências são devidas, principalmente, aos padrões de calibração envolvidos. As condições de calibração devem ser controladas; ou quando isso não for possível, devem ser conhecidas para as devidas correções. As condições devem ser estabelecidas no procedimento e anotadas nos registros. Atualmente é prática comum calibrar a malha de instrumentos, in loco, com os instrumentos montados no processo e na área industrial. Estas condições devem ser conhecidas e documentadas e quando requerido, devem ser aplicados os fatores de correção devidos à temperatura e outras influências do ambiente. Portanto todas as variáveis devem ser registradas e controladas.

c) Procedimentos de Calibração

Devem ser escritos procedimentos (também chamados de padrões) de calibração de instrumentos para eliminar fontes de erros devidas às diferenças de técnicas, condições do ambiente, escolha dos padrões e dos acessórios e mudança do técnico calibrador. Estes procedimentos não são os manuais de calibração do fabricante. Os procedimentos devem incluir os aspectos técnicos destes manuais de operação, porem devem ser mais abrangentes. Os procedimentos devem ser usados pelo pessoal envolvido e responsáveis pela calibração. Eles devem ser elaborados com a participação ativa deste pessoal. Os procedimentos devem garantir que:

• Pessoas diferentes obtenham o mesmo resultado quando calibrando instrumentos iguais ao mesmo tempo;
• A mesma pessoa obtenha o mesmo resultado quando calibrando o mesmo instrumento em épocas e locais diferentes.

Os procedimentos devem ser escritos numa linguagem simples, clara e acessível e o seu conteúdo deve ter, no mínimo:

1. Procedimento elaborado de forma objetiva;

2. Normas de referência e recomendações do fabricante;

3. Lista dos padrões requeridos (modelo, exatidão);

4. Lista dos instrumentos de teste, fontes de alimentação, pontos de teste e ligações;

5. Descrição do princípio de medição ou teoria do método empregado;

6. Estabelecimento das condições ambientais do local onde será feita a calibração: temperatura, pressão, umidade, posição, vibração, blindagem a ruídos elétricos e acústicos;

7. Instruções passo a passo da calibração, envolvendo preparação, ajustes, leituras, comparações e correções;

8. Formulários para a coleta e anotação dos dados, relatórios, tabelas e certificados;

9. Estabelecimento / recomendação da próxima data de calibração.

d) Registros de Calibração

Os registros de calibração garantem e certificam que foram usados padrões válidos, que os prazos de validade da calibração estão sendo seguidos e que a exatidão dos instrumentos está sendo mantida.

Calibração da vazão

A calibração da vazão depende de padrões de volume ou massa e tempo. A calibração primária se baseia no estabelecimento de vazão de regime através do instrumento sendo calibrado e a medição subseqüente do volume ou massa do fluido que passa através do medidor durante um intervalo de tempo exato. Se existir uma vazão constante, a vazão volumétrica ou mássica pode ser inferida de algum procedimento. Qualquer medidor que tenha uma boa exatidão e que seja estável, calibrado através de um método primário se torna um padrão secundário de vazão, que pode calibrar outros medidores com menor exatidão.

O afastamento das condições de uso daquelas da calibração podem invalidar a calibração. As possíveis fontes de erro na medição de vazão são:

1. Variações das propriedades do fluido (densidade, viscosidade e temperatura);

2. Orientação do medidor (alinhamento com a tubulação);

3. Nível de pressão;

4. Distúrbios na vazão (cotovelos, válvulas, obstáculos inseridos) principalmente a montante (antes do medidor) e com menor influência, a jusante (depois do medidor).

A vazão é uma variável de processo na qual envolve intervalo de tempo. Por isso, a calibração de medidores de vazão é mais complexa, pois além da medição de um volume ou massa, também se necessita medir os exatos intervalos de tempo. A calibração do medidor de vazão consiste em ajustar o desempenho do medidor para que ele efetue a vazão dentro dos limites de exatidão predeterminados, sob as condições de operação definidas. A calibração de vazão é geralmente feita para certificar a exatidão do fator do medidor, pela medição da saída do medidor sob condições de vazão que sejam hidraulicamente similares à instalação real, ou seja, com equivalência do número de Reynolds. Isto não garante que a exatidão seja mantida em toda a faixa de medição. Alguns ajustes podem ser feitos no elemento sensor ou no circuito eletrônico do sistema. Geralmente a exatidão da medição de vazão de líquidos é melhor que a de gases, que são compressíveis e dependem mais das variações de pressão, temperatura e viscosidade. Há vários métodos disponíveis para a calibração de medidores de vazão, mas pode-se distingui-los em duas categorias diferentes: in situ e no laboratório. O fluido medido pode ser líquido ou gás. A calibração de medidores de vazão de líquidos é mais direta e fácil do que a de medidores de gases, pois o líquido pode ser armazenado em vasos abertos e a água pode ser usada como o líquido padrão de calibração. Os principais fundamentos usados para calibração de medidores de vazão de líquido, in situ ou em laboratório, para líquidos ou gases são: uso de medidor master calibrado, prover e métodos volumétrico e gravimétrico. Aplicáveis apenas a gases, tem-se o gasômetro e o bocal sônico.

Finalmente, como sistema de medição de vazão com placa é calibrado sem padrão de vazão, pode-se usar o sistema com placa para fazer calibração de outros medidores, embora sua exatidão seja para muitos casos não adequados.

a) Medidor Padrão

Por esta técnica, um medidor rastreável com exatidão conhecida e melhor do que a do medidor sob calibração é usado como padrão de calibração. O medidor a ser calibrado e o medidor mestre são ligados em série, de modo que a mesma vazão de regime passe pelos dois. Para garantir uma calibração confiável e exata, o medidor mestre também deve ser re-calibrado periodicamente, rastreado com outro de maior exatidão. Este outro padrão, também deve ser rastreado com outro superior. O instrumento mestre típico para padrão de vazão é medidor coriolis, que rastreada pode dar exatidões na ordem de até 0,05 % do valor medido. Para grandes vazões, é típico usar o medidor magnético rastreado como padrão.

b) Método volumétrico

Nesta técnica, a vazão do líquido através do medidor sob calibração é divergida em um tanque de volume conhecido. Quando o tanque é cheio totalmente, o seu volume é comparado com a quantidade integrada pelo medidor sendo calibrado.

c) Método gravimétrico

Nesta técnica, a vazão do líquido através do medidor sob calibração é divergida para um tanque que é pesado continuamente ou depois de tempo predeterminado. O peso do líquido é comparado com a leitura registrada do medidor de vazão sob calibração. O sistema de calibração de peso dinâmico basicamente envolve:

1. Um reservatório de líquido;

2. Uma tubulação onde o medidor sob calibração é montado;

3. Uma bomba para fazer o líquido circular;

4. Um tanque onde o líquido será pesado;

5. Um atuador automático com temporizador;

6. Uma balança onde o tanque com líquido é comparado com pesos de alta exatidão;

7. Um temporizador;

8. Uma válvula para variar o valor da vazão;

9. Uma válvula de retenção para permitir a vazão em um único sentido;

10. Filtro para manter o líquido limpo.

Resumo

O laboratório de vazão é uma facilidade construída que deve ter como propósito efetuar a medição da vazão em conduto fechado com grande exatidão. Como resultado das limitações práticas, a maioria dos laboratórios usa a água e o ar como os fluidos para líquido e gás respectivamente, devido ao grande acervo de dados experimentais disponíveis.

Para aplicações com outros fluidos diferentes da água e do ar ou o desempenho em outras condições de operação, usam-se fatores de correção baseados no fluido real e procura-se manter o mesmo número de Reynolds, para a calibração e para o serviço real. Neste caso, há incertezas introduzidas, que serão mínimas, quando as propriedades do fluido forem definidas e conhecidas. Os laboratórios de vazão são geralmente operados e mantidos por fabricantes de medidores de vazão, que os utilizam para a calibração e estudo dos medidores fabricados.

Existem também os laboratórios independentes, que são mais versáteis e extensivos do que os mantidos pelos fabricantes. Há usuários de medidores de vazão que também possuem o seu sistema de calibração de vazão, consistindo principalmente de um medidor padrão rastreado em laboratório de vazão certificado, na qual é usado como padrão de comparação para outros medidores. A maioria dos laboratórios atuais usam computadores para receber os sinais dos sensores, calcular a vazão, documentar os resultados do medidor que esta sendo calibrado e traçar as curvas de calibração. Vale lembrar que efetuar o controle de temperatura e pressão é de fundamental importância, pois estas variáveis têm influencia na calibração dos medidores de vazão.

O custo para desenvolver e montar um laboratório de calibração de vazão é proibitivo para o usuário, principalmente quando o número de medidores a calibrar é pequeno. É mais econômico e efetivo usar laboratórios de calibração de fabricantes ou laboratório independente que tenham procedimentos em acordo e conformidade a norma NBR-ISO/IEC 17025 e que seja acreditado ou que possuam padrões rastreáveis a RBC – Rede Brasileira de Calibração.

Autores

Leandro Siqueira Paixão - Gerente da Qualidade (leandro.siqueira@gmgspbrasil.com.br)
Gilmar Gomes da Silva - Gerente Técnico (
gilmar.silva@gmgspbrasil.com.br)
Norival Silva - Responsável Técnico do Laboratório (
norival.silva@gmgspbrasil.com.br)
Claudio Henrique - Assistente de Laboratório (
claudio.henrique@gmgspbrasil.com.br)

Fonte: GMG Instrumentação e Automação Industrial, por Gilmar Silva – 26/09/2011