C A R A T E R I Z A Ç Ã O D E C O N T A D O R E S D E M I C R O C A U D A L 1

CARATERIZAÇÃO DE CONTADORES DE MICROCAUDAL

David C. Pinto

E-mail: davidcpinto@hotmail.com

Departamento de Engenharia Mecânica e Industrial, Faculdade de Ciências e Tecnologia,

Universidade Nova de Lisboa, 2829-516 Caparica

Elsa M. I. Batista

E-mail: ebatista@ipq.pt

Laboratório Nacional de Metrologia, Instituto Português da Qualidade, IPQ, Rua António

Gião, 2, 2829-513 Caparica

Eduarda Filipe

E-mail: efilipe@ipq.pt

Laboratório Nacional de Metrologia, Instituto Português da Qualidade, IPQ, Rua António

Gião, 2, 2829-513 Caparica

Helena V. G. Navas

E-mail: hvgn@fct.unl.pt

UNIDEMI, Departamento de Engenharia Mecânica e Industrial, Faculdade de Ciências e

Tecnologia, Universidade Nova de Lisboa, 2829-516 Caparica

Resumo: O presente trabalho, desenvolvido em parceria pelo Laboratório de Volume e

Caudal (LVC) do Instituto Português da Qualidade (IPQ) com o Departamento de

Engenharia Mecânica e Industrial (DEMI) da Faculdade de Ciências e Tecnologia

da Universidade Nova de Lisboa (FCT/UNL), tem como objetivo caraterização de

contadores de fluidos tendo como base a medição de caudal utilizando o método

gravimétrico. Os resultados obtidos irão permitir a rastreabilidade e calibração de

equipamentos no Laboratório Nacional de Metrologia (LNM) do Instituto

Português da Qualidade, nomeadamente para micro caudalimetros com gama entre

1 mL/h e 200 mL/h.

Foram realizados ensaios a 1 mL/h, 2 mL/h, 10 mL/h, 20 mL/h, 50 mL/h e 100

mL/h, em dias diferentes e utilizando sistemas padrão distintos de acordo com o

caudal a ensaiar.

Para a obtenção de resultados adequados nos ensaios efetuados foi necessário

monitorizar as condições ambientais (temperatura, pressão e humidade) e do

líquido padrão (temperatura).

Outro dado importante é a caraterização de fontes de incerteza, que permitem obter

um resultado completo da medição. Para obter avaliação e estimativa da incerteza

de medição usa-se o procedimento descrito no GUM. Neste projeto estão

2

contempladas fontes de incerteza como as associadas à evaporação, impulsão do

tubo, resolução da balança, entre outras.

Palavras-chave: Medição de Caudal, Contador de líquidos de Coriolis, Padrão

Gravimétrico, Metrologia.

Abstract:

The present work, developed in partnership by Volume and Flow Laboratory

(LVC) in the Portuguese Quality Institute (IPQ) with the Department of Mechanical

and Industrial Engineering (DEMI), Faculty of Science and Technology, New

University of Lisbon (FCT/UNL), it aims the characterization of fluids having

counters based on the flow rate measurement using the gravimetric method. The

results will allow traceability and calibration equipment in the National Metrology

Laboratory (LNM) of the Portuguese Institute for Quality, in particular for micro

flowmeters range of 1 mL/h and 200 mL/h.

Assays were performed at 1 mL/h, 2 mL/h, 10 mL/h, 20 mL/h, 50 mL/h and 100

mL/h on different days and using different standard systems according to the flow

rehearsing.

In order to obtain reliable results it was necessary to register the environmental

conditions and liquid temperature.

Another important factor is the characterization of sources of uncertainty, which

allows to obtain a complete result of the measurement. For the evaluation and

measurement uncertainty of the estimate it is used the procedure described in

GUM. In this project are included uncertainty sources such as those associated with

evaporation, buoyancy, balance resolution, among others.

Keywords: Flow measurement, Coriolis liquid counter, Standard Gravimetric,

Metrology.

1. Método para medição de micro caudais

A metrologia é a ciência da medição, é fundamental nos setores da saúde, da economia, entre

outros, estabelecendo uma infraestrutura tecnológica indispensável nas sociedades atuais. É a

atividade responsável pela calibração de instrumentos de medição garantindo a qualidade de

um determinado produto ou serviço, bem como também um suporte de um sistema de medições

fiáveis e únicos [1].

Este Projeto tem como objetivo a caraterização de contadores de fluídos tendo como base a

medição de caudal utilizando o método gravimétrico. Os resultados obtidos irão permitir a

rastreabilidade e calibração de equipamentos no LNM do IPQ, nomeadamente para micro

caudalimetros.

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O método gravimétrico consiste na determinação do volume de líquido escoado ou contido no

instrumento volumétrico a calibrar. Para isso, efetua-se uma pesagem do recipiente vazio,

sendo este de seguida pesado novamente cheio. A diferença entre as duas pesagens permite-nos

obter a massa escoada ou contida do instrumento de medição, esse valor é posteriormente

convertido em volume utilizados as formulas apropriadas [2].

1.1. Contador de Coriolis

O contador de Coriolis funciona por aplicação de uma força vibratória de um tubo curvo

(figura 1.1), através do qual o fluído passa. O efeito de Coriolis cria uma força em ambas as

direções perpendiculares ao tubo: a vibração e sentido da corrente. Esta força é medida para

obter o fluxo de massa [3].

O contador de Coriolis utilizado neste projeto designa-se por Contador M12 mini CORI-FLOW

da Bronkhorst Cori-Tech (figura 1.2), as especificações técnicas podem-se ver no quadro 1.

Figura 1.1 - Esquema de um sensor de fluxo de Coriolis

Figura 1.2 - Contador M12 mini CORI-FLOW

4

Quadro 1 - Especificações Técnicas

Extensão de fluxo

Escala mínima completa 5 g/h

Fluxo nominal 100 g/h

Escala máxima completa 200 g/h

Fluxo mínimo 0,4 g/h

1.2. Montagem do sistema padrão:

Existem três elementos principais numa calibração gravimétrica de caudal (massa por unidade

de tempo):

Um gerador de fluxo ou instrumento a calibrar

Um dispositivo coletor (balança)

Sistema de aquisição de dados (Labview)

Para o desenvolvimento desde projeto foram utilizados os seguintes equipamentos e software:

1.2.1. Gerador de Caudal

O Gerador de caudal escolhido foi a Syringe Pump Nexus 3000 da Chemyx (figura 1.3), devido

a ter um fluxo de caudal estável e contínuo. A capacidade da seringa deve ser escolhida em

função do caudal desejado. Neste projeto foram utilizadas seringas de vidro de 5 mL, 10 mL e

25 mL.

Figura 1.3 – Gerador de Caudal Nexus 3000

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1.2.2. Balança

A balança deve abranger as seguintes características, alcance, incerteza e resolução, adequada

ao intervalo de medição necessário.

Neste projeto foi escolhido a balança AX26 e a balança XP205.

1.2.2.1.Balança AX26

A balança Mettler Toledo AX26 (figura 1.4) foi a escolhida para realizar os ensaios de 1 mL/h

a 20 mL/h. Esta escolha baseou-se no facto de ser a balança com melhor resolução, de

0.000001 g. No quadro 2 verifica-se as especificações relativas à balança [4].

Quadro 2 – Especificações da balança AX26

Balança Tempo de estabilização Resolução Carga máxima

AX26 14-18 s 1 μg 22 g

Figura 1.4 - Mettler Toledo AX26 Comparator

6

1.2.2.2.Balança XP205

A balança Mettler Toledo XP205 (figura 1.5) foi escolhida para realizar os ensaios de 1 mL/h a

100 mL/h. Esta balança tem resolução 0,00001 g na qual se coloca um copo de precipitação

para recolha do liquido. No quadro 3 verifica-se as especificações relativas à balança [4].

Quadro 3 – Especificações da balança XP205

Balança Tempo de estabilização Resolução Carga máxima

XP205 2,5 s 0,01 mg 220g

Figura 1.5 - Mettler Toledo XP205

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1.2.3. Aquisição de dados do sistema padrão e contador de líquidos

A aquisição de dados do sistema padrão é feita através da conexão da balança a um

computador, com recurso a um software elaborado em ambiente informático Labview. No caso

do contador a aquisição de dados é feita através da conexão do contador a um computador, com

recurso ao software FlowPlot. Na figura 1.6 está representado a aquisição de dados durante um

ensaio.

1.2.4. Montagem Final (Sistema Padrão + Contador)

Na figura 1.7 e 1.8 está ilustrado as montagens finais dos sistemas padrão distintos e o

contador.

Figura 1.6 – Aquisição de dados, no lado esquerdo mostra o software Labview e no direito software FlowPlot.

Figura 1.8 – Sistema Padrão com a balança AX26 mais o Contador

Figura 1.7 - Sistema Padrão com a balança XP205 mais o Contador

8

1.3. Procedimento experimental

Antes de efetuar algum ensaio experimental, é necessário monitorizar as condições ambientais

(temperatura, pressão e humidade) do laboratório, essas condições devem estar na gama de

valores aceitáveis verificada no quadro 4 e devem ser controladas no início e fim de cada

ensaio.

Quadro 4 – Gama de valores aceitáveis para as condições ambientais

Grandeza Gama de valores aceitáveis

Temperatura [17, 23] °C

Humidade [30, 85] %

Pressão atmosférica [920, 1080] hPa

Outro dado importante é a estabilização da temperatura do líquido de calibração, pois é

necessário que este quando contido no instrumento a calibrar, apresente a mesma temperatura

que esse instrumento [5].

Depois de monitorizar as condições ambientais e do líquido padrão e estarem na gama de

valores aceitáveis, pode iniciar-se a realização de um ensaio, escolhendo o caudal a ensaiar no

sistema gerador de caudal, garantido a correta posição da válvula e o funcionamento do

software de aquisição de dados.

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2. Modelo de cálculo do sistema padrão

A seguinte equação (1) representa o modelo de cálculo do caudal utilizado no software de

aquisição de dados.

𝑸 =𝟏

𝒕𝒇−𝒕𝒊[((𝑰𝑳 − 𝑰𝑬) + (𝜹𝒎𝒊𝒎𝒑)) ×

𝟏

𝝆𝒘−𝝆𝑨× (𝟏 −

𝝆𝑨

𝝆𝑩) × [𝟏 − 𝜸(𝟐𝟎 − 𝑻𝟎)]] +𝜹𝑽𝒆𝒗𝒂𝒑 (1)

Onde

{

𝒕𝒇: 𝑻𝒆𝒎𝒑𝒐 𝒇𝒊𝒏𝒂𝒍

𝒕𝒊: 𝑻𝒆𝒎𝒑𝒐 𝒊𝒏𝒊𝒄𝒊𝒂𝒍

𝑰𝑳: 𝑴𝒂𝒔𝒔𝒂 𝒇𝒊𝒏𝒂𝒍

𝑰𝑬: 𝑴𝒂𝒔𝒔𝒂 𝒊𝒏𝒊𝒄𝒊𝒂𝒍

𝜹𝒎𝒊𝒎𝒑: 𝑪𝒐𝒓𝒓𝒆𝒄çã𝒐 𝒅𝒆𝒗𝒊𝒅𝒐 𝒂 𝒊𝒎𝒆𝒓𝒔ã𝒐 𝒅𝒐 𝒕𝒖𝒃𝒐

𝝆𝒘: 𝒅𝒆𝒏𝒔𝒊𝒅𝒂𝒅𝒆 𝒅𝒂 á𝒈𝒖𝒂

𝝆𝑨: 𝒅𝒆𝒏𝒔𝒊𝒅𝒂𝒅𝒆 𝒅𝒐 𝒂𝒓

𝝆𝑩: 𝒅𝒆𝒏𝒔𝒊𝒅𝒂𝒅𝒆 𝒅𝒂𝒔 𝒎𝒂𝒔𝒔𝒂𝒔

𝜸: 𝒄𝒐𝒆𝒇𝒊𝒄𝒊𝒆𝒏𝒕𝒆 𝒅𝒆 𝒆𝒙𝒑𝒂𝒏𝒔ã𝒐 𝒕𝒆𝒓𝒎𝒊𝒄𝒂

𝑻𝟎: 𝑻𝒆𝒎𝒑𝒆𝒓𝒂𝒕𝒖𝒓𝒂 𝒅𝒂 á𝒈𝒖𝒂 𝒏𝒐 𝒊𝒏𝒊𝒄𝒊𝒐 𝒅𝒐 𝒆𝒏𝒔𝒂𝒊𝒐

𝜹𝑽𝒆𝒗𝒂𝒑: 𝑬𝒗𝒂𝒑𝒐𝒓𝒂çã𝒐

A leitura dos resultados do contador padrão é feita através do software FlowPlot, pelo que não

é necessário um modelo de cálculo.

O erro do contador foi determinado pela diferença entre os resultados obtidos pelo padrão e os

indicados no FlowPlot.

2.1. Incertezas

O cálculo de incertezas foi determinado utilizando o procedimento descrito no GUM [6] e o

artigo Uncertainty calculation in gravimetric microflow measurements [7]. Os parâmetros que

afetam a incerteza na determinação de caudal pelo método gravimétrico são: pesagem,

densidade da água, temperatura da água, condições ambientais, características do instrumento,

impulsão e evaporação.

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3. Ensaios Efetuados

3.1. Ensaios de repetibilidade

O contador de Coriolis M12 foi ensaiado a variados caudais em dias diferentes. Os resultados

estão indicados no quadro 5, na figura 3.1 pode-se observar o gráfico dos ensaios de

repetibilidade na balança AX26.

Quadro 5 – Resultados de Ensaios efectuados na balança AX26

Caudal

Nominal

(mL/h)

Ensaio nº Erro do contador (%)

Incerteza

Expandida

(%)

1 1 -0,87 2,4

1 2 -1,93 4,4

1 3 -1,54 2,2

2 1 -1,23 2,2

2 2 -1,06 2,3

2 3 -0,82 2,4

10 1 0,11 0,56

10 2 0,26 0,92

10 3 0,18 0,73

20 1 0,23 0,49

20 2 0,24 0,30

20 3 0,19 0,61

Figura 3.1 – Ensaios de repetibilidade AX26

Após a análise dos resultados verifica-se que existe uma boa repetibilidade, visto que todos os

resultados se encontram dentro da incerteza mutua. Também se pode observar uma diminuição

-8

-6

-4

-2

0

2

4

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

Erro

(%

)

Caudal (mL/h)

Ensaios de repetibilidade AX26

1 Ensaio

2 Ensaio

3 Ensaio

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da incerteza com o aumento do caudal, tal como previsto, devido à instabilidade das medições a

baixo caudal.

3.2. Ensaios de reprodutibilidade

O contador de Coriolis M12 foi ensaiado utilizando diferentes balanças ao mesmo caudal. Os

resultados estão indicados no quadro 6.

Quadro 6 – Resultados comparativos de ensaios feitos para o mesmo caudal e com

diferentes balanças

Tipo de

balança

Caudal

Nominal

(mL)

Erro do contador (%)

Incerteza

Expandida

ponderada

(%)

AX26 1 -1,45 3,1

XP205 1 -3,54 4,6

AX26 2 -1,04 2,2

XP205 2 -1,80 1,9

AX26 10 0,19 0,73

XP205 10 0,16 1,4

AX26 20 0,23 0,46

XP205 20 -0,24 0,87

Após a análise dos resultados verifica-se que existe uma boa reprodutibilidade. Também se

pode verificar que a incerteza na balança AX26 é inferior à balança XP205 devido as suas

características técnicas.

4. Conclusão

De forma a validar o procedimento de calibração de contadores de fluidos no laboratório de

volume e caudal do IPQ foram realizados ensaios de reprodutibilidade e repetibilidade. Os

resultados obtidos foram bastante satisfatórios, assim considera-se que procedimento

experimental e o sistema padrão utilizado são adequados para calibração gravimétrica de

contadores de fluidos.

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5. Agradecimentos

Os autores da FCT-UNL gostariam de agradecer ao Instituto Português da Qualidade pela

oportunidade de participarem num projeto de investigação conjunto, pelo tema que se revelou

de muito interesse científico e de utilidade real para o IPQ.

Os autores da FCT-UNL agradecem à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade

Nova de Lisboa (UNL), à Unidade de Investigação e Desenvolvimento em Engenharia

Mecânica e Industrial (UNIDEMI) e à Fundação Portuguesa para a Ciência e a Tecnologia

(FCT) pelo apoio dado ao trabalho de investigação.

Referências Bibliográficas

1. E. Batista, Apresentação – Metrologia, LCM – Instituto Português da Qualidade, 2010.

2. IPQ, “IPQ – Instituto Português da Qualidade”, [Online] Available: www.ipq.pt. [Acedido em 18

de Janeiro 2015].

3. Bronkhorst, [online] Available: http://www.bronkhorst.com/files/br_coritech/downloads/brochures-en/mini_coriflow.pdf [Acedido

em 15 de Maio 2015].

4. Mettler-Toledo GmbH, Laboratory & Weighing Technologies, Operating Instructions, Suiça:

Greifensee, 2000.

5. Batista E., Calibração de material volumétrico por gravimetria, LCM - Instituto Português da

Qualidade, 2011.

6. BIPM et al, Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement (GUM), 2nd ed.,

International Organization for Standardization, Genève, 1995

7. Batista E., Almeida N., Godinho I., Filipe E., Uncertainty calculation in gravimetric microflow

measurements, AMCTM X, 2015

Curriculum Vitae:

David Correia Pinto frequenta o mestrado integrado em Engenharia Mecânica na Faculdade de Ciências e

Tecnologias da Universidade Nova de Lisboa. Está atualmente num estágio, no Laboratório de Volume e Caudal

(LVC) do Instituto Português da Qualidade (IPQ) a desenvolver o Projeto que sustenta a tese de mestrado.

Elsa Batista é Mestre em Química Analítica, pela Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa em 2007 e

licenciada em Química Aplicada, pela Faculdade de Ciências da Universidade Nova de Lisboa em 1999. Desde

1999 que trabalha no Laboratório de Volume do Instituto Português da Qualidade como técnica superior e

responsável de laboratório. É a contact person e presidente do comité técnico do caudal da EURAMET.

Maria Eduarda de Carvalho Pamplona Côrte-Real Filipe é Diretora do Departamento de Metrologia do Instituto

Português da Qualidade (IPQ) na Caparica, que gere o Laboratório Nacional de Metrologia e a Unidade de

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Metrologia Legal. É licenciada Engenharia Eletrotécnica - Ramo Telecomunicações e Eletrónica do Instituto

Superior Técnico (IST), Lisboa e Mestre em Instrumentação, Manutenção Industrial e Qualidade da Faculdade de

Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa.

Helena V. G. Navas é doutorada em Engenharia Mecânica pela Universidade Nova de Lisboa. É Professora

Auxiliar do Departamento de Engenharia Mecânica e Industrial, Faculdade de Ciências e Tecnologia (FCT) da

Universidade Nova de Lisboa (UNL) e investigadora do UNIDEMI – Unidade de Investigação em Engenharia

Mecânica e Industrial. Os interesses de investigação abrangem as áreas de metrologia e toleranciamento, inovação

sistemática e projeto mecânico.

Authors Profiles:

David Correia Pinto attends the integrated master's degree in Mechanical Engineering at the Faculty of Science

and Technology of the New University of Lisbon. It is currently at a stage in Volume and Flow Laboratory (LVC)

the Portuguese Quality Institute (IPQ) to develop the design that supports the master's thesis..

Elsa Batista has a master degree in Analytical Chemistry from the Faculty of Science of Lisbon University–

Portugal, Lisbon in 2007 and a degree in Applied Chemistry from the Faculty of Science of New Lisbon

University– Portugal, Lisbon in 1999. She is the head of the volume laboratory of the Portuguese Institute for

Quality since 1999. She is also the contact person and Chair of the Technical committee for flow of EURAMET.

Maria Eduarda de Carvalho Pamplona Côrte-Real Filipe is Director of Metrology Department of IPQ (Instituto

Português da Qualidade) Caparica, that manages the National Metrology Laboratory and the Legal Metrology

Unit. Electrotechnical Engineer – Telecommunication and Electronic branch by Instituto Superior Técnico (IST),

Lisbon and Master in Instrumentation, Industrial Maintenance and Quality by Faculdade de Ciências e Tecnologia

da Universidade Nova de Lisboa.

Helena V. G. Navas has received a PhD in Mechanical Engineering from Universidade Nova de Lisboa. Is an

Assistant Professor at the Department of Mechanical and Industrial Engineering, Faculty of Science and

Technology (FCT) of the Universidade Nova de Lisboa (UNL) and a researcher at the UNIDEMI - Research Unit

in Mechanical and Industrial Engineering. The research interests cover the areas of metrology and tolerancing,

systematic innovation and mechanical design.