NOÇÕES DE MEDIÇÃO DE FLUIDOS Autores: Josaphat Dias da Mata Jose Alberto Pinheiro da Silva Filho
NOÇÕES DE MEDIÇÃO DE FLUIDOS
Este é um material de uso restrito aos empregados da PETROBRAS que atuam no E&P. É terminantemente proibida a utilização do mesmo por prestadores de serviço ou fora do ambiente PETROBRAS. Este material foi classificado como INFORMAÇÃO RESERVADA e deve possuir o tratamento especial descrito na norma corporativa PB-PO-0V4-00005“TRATAMENTO PB-PO-0V4-00005“TRATAMENTO DE INFORMAÇÕES RESERVADAS". Órgão gestor: E&P-CORP/RH
NOÇÕES DE MEDIÇÃO DE FLUIDOS Autores: Josaphat Dias da Mata Jose Alberto Pinheiro da Silva Filho
Ao final deste estudo, o treinando poderá: • Reconhecer os conceitos físicos envolvidos com a medição e as leis de conservação de massa e energia; • Reconhecer os aspectos relacionados à medição de uidos; • Identicar medidores especícos de vazão e volume; • Conceituar calibração.
Programa Alta Competência
Este material é o resultado do trabalho conjunto de muitos técnicos da área de Exploração & Produção da Petrobras. Ele se estende para além destas páginas, uma vez que traduz, de forma estruturada, a experiência de anos de dedicação e aprendizado no exercício das atividades prossionais na Companhia. É com tal experiência, reetida nas competências do seu corpo de empregados, que a Petrobras conta para enfrentar os crescentes desaos com os quais ela se depara no Brasil e no mundo. Nesse contexto, o E&P criou o Programa Alta Competência, visando prover os meios para adequar quantitativa e qualitativamente a força de trabalho às estratégias do negócio E&P. Realizado em diferentes fases, o Alta Competência tem, como premissa, a participação ativa dos técnicos na estruturação e detalhamento das competências necessárias para explorar e produzir energia. O objetivo deste material é contribuir para a disseminação das competências, de modo a facilitar a formação de novos empregados e a reciclagem de antigos. Trabalhar com o bem mais precioso que temos – as pessoas – é algo que exige sabedoria e dedicação. Este material é um suporte para esse rico processo, que se concretiza no envolvimento de todos os que têm contribuído para tornar a Petrobras a empresa mundial de sucesso que ela é. Programa Alta Competência
Como utilizar esta apostila
Esta seção tem o objetivo de apresentar como esta apostila está organizada e assim facilitar seu uso. No início deste material é apresentado o objetivo geral, o qual representa as metas de aprendizagem a serem atingidas.
ATERRAMENTO DE SEGURANÇA
Autor
Ao final desse estudo, o treinando poderá: • Identicar procedimentos adequados ao aterramento e à manutenção da segurança nas instalações elétricas; • Reconhecer os riscos de acidentes relacionados ao aterramento de segurança; • Relacionar os principais tipos de sistemas de aterramento de segurança e sua aplicabilidade nas instalações elétricas.
Objetivo Geral
O material está dividido em capítulos. No início de cada capítulo são apresentados os objetivos específicos de aprendizagem, que devem ser utilizados como orientadores ao longo do estudo.
1 o l u t í p a C
Riscos elétricos e o aterramento de segurança
Ao final desse capítulo, o treinando poderá:
Objetivo Específico
• Estabelecer a relação entre aterramento de segurança e riscos elétricos; • Reconhecer os tipos de riscos elétricos decorrentes do uso de equipamentos e sistemas elétricos; • Relacionar os principais tipos de sistemas de aterramento de segurança e sua aplicabilidade nas instalações elétricas.
No nal de cada capítulo encontram-se os exercícios, que visam avaliar o alcance dos objetivos de aprendizagem. Os gabaritos dos exercícios estão nas últimas páginas do capítulo em questão.
Capítulo 1. Riscos elétricos e o aterramento de segurança
Capítulo 1. Riscos elétricos e o aterramento de segurança
1.4. Exercícios
1.7. Gabarito
1) Que relação podemos estabelecer entre riscos elétricos e aterramento de segurança?
1) Que relação podemos estabelecer entre riscos elétricos e aterramento de segurança?
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________ 2) Apresentamos, a seguir, trechos de Normas Técnicas que abordam os cuidados e critérios relacionados a riscos elétricos. Correlacione-os aos tipos de riscos, marcando A ou B, conforme, o caso:
O aterramento de segurança é uma das formas de minimizar os riscos decorrentes do uso de equipamentos e sistemas elétricos. 2) Apresentamos, a seguir, trechos de Normas Técnicas que abordam os cuidados e critérios relacionados a riscos elétricos. Correlacione-os aos tipos de riscos, marcando A ou B, conforme, o caso: A) Risco de incêndio e explosão (B)
B) Risco de contato
“Todas as partes das instalações elétricas devem ser projetadas e executadas de modo que seja possível prevenir, por meios seguros, os perigos de choque elétrico e todos os outros tipos de acidentes.”
Para a clara compreensão dos termos técnicos, as suas
Para a clara compreensão dos termos técnicos, as suas denições estão disponíveis no glossário. Ao longo dos textos do capítulo, esses termos podem ser facilmente identicados, pois estão em destaque. Nesse processo, o operador tem importante papel, pois, ao interagir diariamente com os equipamentos elétricos, pode detectar imediatamente alguns tipos de anormalidades, antecipando problemas e, principalmente, diminuindo os riscos de choque elétrico por contato indireto e de incêndio e explosão.
3.1. Problemas operacionais Os principais problemas operacionais vericados em qualquer tipo de aterramento são: • Falta de continuidade; e • Elevada resistência elétrica de contato. É importante lembrar que Norma Petrobras N-2222 dene o valor de 1Ohm, medido com multímetro DC (ohmímetro), como o máximo admissível para resistência de contato.
Alta Competência
3.4. Glossário Choque elétrico – conjunto de perturbações de natureza e efeitos diversos, que se manifesta no organismo humano ou animal, quando este é percorrido por uma corrente elétrica. Ohm – unidade de medida padronizada pelo SI para medir a resistência elétrica. Ohmímetro – instrumento que mede a resistência elétrica em Ohm.
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Caso sinta necessidade de saber de onde foram retirados os insumos para o desenvolvimento do conteúdo desta apostila, ou tenha interesse em se aprofundar em determinados temas, basta consultar a Bibliografia ao nal de cada capítulo.
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1.6. Bibliografia CARDOSO ALVES, Paulo Alberto e VIANA, Ronaldo Sá. Aterramento de sistemas elétricos - inspeção e medição da resistência de aterramento. UN-BC/ST/EMI – Elétrica, 2007. COELHO FILHO, Roberto Ferreira.Riscos em instalações e serviços com eletricidade. Curso técnico de segurança do trabalho, 2005. Norma Petrobras N-2222. Projeto de aterramento de segurança em unidades marítimas. Comissão de Normas Técnicas - CONTEC, 2005. Norma Brasileira ABNT NBR-5410.Instalações elétricas de baixa tensão. Associação Brasileira de Normas Técnicas, 2005. Norma Brasileira ABNT NBR-5419. Proteção de estruturas contra descargas atmosféricas. Associação Brasileira de Normas Técnicas, 2005.
Ao longo de todo o material, caixas de destaque estão presentes. Cada uma delas tem objetivos distintos. A caixa “Você Sabia” traz curiosidades a respeito do conteúdo abordado de um determinado item do capítulo.
É atribuído a Tales de Mileto (624 - 556 a.C.) a primeira observação de um fenômeno relacionado com a eletricidade estática. Ele teria esfregado um fragmento de âmbar com um tecido seco e obtido um comportamento inusitado – o âmbar era capaz de atrair pequenos pedaços de palha. O âmbar é o nome dado à resina produzida por pinheiros que protege a árvore de agressões externas. Após sofrer um processo semelhante à fossilização, ela se torna um material duro e resistente.
“Importante” é um lembrete das questões essenciais do conteúdo tratado no capítulo.
IMPORTANTE! É muito importante que você conheça os tipos de pig de limpeza e de pig instrumentado mais utilizados na sua Unidade. Informe-se junto a ela!
Já a caixa de destaque “Resumindo” é uma versão compacta dos principais pontos abordados no capítulo. RESUMINDO...
Recomendações gerais • Antes do carregamento do pig , inspecione o interior do lançador; • Após a retirada de um pig, inspecione internamente o recebedor de pigs; • Lançadores e recebedores deverão ter suas
Em “Atenção” estão destacadas as informações que não devem ser esquecidas.
ATENÇÃO É muito importante que você conheça os procedimentos específicos para passagem de pig em poços na sua Unidade. Informe-se e saiba quais são eles.
Todos os recursos didáticos presentes nesta apostila têm como objetivo facilitar o aprendizado de seu conteúdo. Aproveite este material para o seu desenvolvimento prossional!
Sumário Introdução
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Capítulo 1 - Introdução à medição de fluidos Objetivos 1. Introdução à medição de uidos 1.1. Aspectos metrológicos da medição de uidos 1.1.1. Unidades de medida 1.1.2. Graa das unidades de medida 1.1.3. Características das medições 1.1.4. Conceito de incerteza de medições 1.1.5. Classe de exatidão 1.1.6. Condições de referência
1.2. Conceitos físicos envolvidos na medição de uidos 1.2.1. Massa especíca 1.2.2. Viscosidade 1.2.3. Viscosidade cinemática 1.2.4. Número de Reynolds 1.2.5. Escoamento laminar e turbulento 1.2.6. Vazão volumétrica e mássica 1.2.7. Lei da conservação da massa e da conservação da energia 1.2.8. Perda de carga em tubulações
1.3. Exercícios 1.4. Glossário 1.5. Bibliograa 1.6. Gabarito
19 21 22 23 24 26 27 28 31
31 32 32 35 36 37 39 42 45
47 51 53 55
Capítulo 2 - Medição de fluidos Objetivos 2. Medição de uidos 2.1. Tipos de medição 2.2. Processo da medição na área de produção 2.3. Sistema de medição 2.4. Critérios gerais para medição 2.5. Amostragem e análise de propriedades do petróleo 2.6. Fator de encolhimento 2.7. Teste de poços 2.8. Procedimentos operacionais
59 61 64 65 66 68 69 70 71 72
2.9. Selagem dos sistemas de medição scal 2.10. Exercícios 2.11. Glossário 2.12. Bibliograa 2.13. Gabarito
72 74 76 77 79
Capítulo 3 - Medidores de vazão – volumes líquidos, petróleo e água Objetivos 3. Medidores de vazão – volumes líquidos, petróleo e água 3.1. Tipos de medidores de vazão de volumes líquidos
81 83 84
3.1.1. Medidor volumétrico tipo deslocamento positivo 3.1.2. Medidor tipo turbina 3.1.3. Medidor tipo mássico Coriolis 3.1.4. Medidor tipo ultra-sônico 3.1.5. Medidor tipo magnético
85 90 95 101 105
3.2. Medidores de vazão especícos para gás natural
106
3.2.1. Medidor de gás natural tipo placa de orifício 3.2.2. Cálculo das vazões de gás natural 3.2.3. Programas utilitários 3.2.4. Calibração de medidores de gás
109 121 125 126
3.3. Medição de gás de tocha 3.4. Exercícios 3.5. Glossário 3.6. Bibliograa 3.7. Gabarito
126 128 133 136 138
Capítulo 4 - Medidores de volume Objetivos 4. Medidores de volume 4.1. Termos usados na medição de petróleo em tanques 4.2. Arqueação 4.3. Normas e exigências técnicas 4.4. Medição manual do volume 4.5. Medidores automáticos de volumes 4.5.1. Medição automática do tipo radar 4.5.2. Medição automática do tipo servo-operado 4.5.3. Medição automática do tipo pressão diferencial 4.5.4. Medição automática do tipo borbulhador
4.6. Exercícios 4.7. Glossário 4.8. Bibliograa 4.9. Gabarito
143 145 145 146 147 148 150 150 153 154 155
157 159 160 162
Capítulo 5 - Calibração e verificação metrológica periódica Objetivo 5. Calibração e vericação metrológica periódica 5.1. Processo de calibração 5.2. Padrão secundário 5.3. Fatores de correção combinados 5.4. Aprovação de modelo 5.5. Calibração de medidores em linha 5.6. Exercícios 5.7. Glossário 5.8. Bibliograa 5.9. Gabarito
165 167 168 172 174 174 176 179 181 183 185
Introdução
E
m qualquer campo de atividade, as decisões são tomadas com base em informações. Nas áreas cientíca e tecnológica, tais informações são, em geral, medições realizadas de forma direta ou indireta e relacionadas com o objeto em estudo. Por denição, medição é "o conjunto de operações que tem por objetivo determinar o valor de uma grandeza”. As medições são inuenciadas por diversos fatores denominados agentes metrológicos, como a amostra, o método de medição, o técnico de operação, o equipamento e as condições ambientais. Dessa maneira, podemos entender que uma medida é o resultado do processo de medição e, nesse sentido, sua qualidade depende de como tal processo foi gerenciado. Os uidos são substâncias que escoam. Podem ser gases ou líquidos. Nas plataformas, os uidos produzidos devem ser medidos para controle interno e também por motivos legais: a regulamentação da ANP exige a medição de todo o volume produzido de petróleo e de gás de cada concessão (campo de produção). De acordo com o regulamento técnico de medição (RTM), a medição deve ser feita logo após o tratamento e antes da transferência, ou seja, antes de deixar a concessão. O técnico de operação tem papel fundamental nesta atividade. Ele mede a produção de óleo, água e gás para acompanhamento e controle do processo, bem como mede a produção diária destes uidos para gerar relatórios de produção a serem arquivados e alguns enviados às agências reguladoras (ANP e INMETRO). A partir destes valores são calculados os valores de participações governamentais, que incluem os royalties, participações especiais, contribuição do superciário e outros tributos, a serem recolhidos e repassados aos municípios, estados e União.
RESERVADO
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RESERVADO
Introdução à medição de fluidos
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Ao final desse capítulo, o treinando poderá: • Descrever o conceito de uido; • Identicar as principais unidades de medidas; • Descrever o conceito de medição; • Denir massa especíca, viscosidade e número de Reynolds; • Diferenciar vazão mássica de vazão volumétrica; • Aplicar a equação da lei da conservação da massa; • Converter vazão mássica em vazão volumétrica a partir de dados práticos.
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Alta Competência
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Capítulo 1. Introdução à medição de fluidos
1. Introdução à medição de fluidos
M
edir é uma atividade muito mais comum do que imaginamos. Quando olhamos as horas, por exemplo, estamos medindo a variação do tempo gasto em uma tarefa. Ir à feira, tomar um táxi, comprar uma garrafa de água ou abastecer o carro no posto de gasolina são atividades cotidianas que envolvem medições. A determinação do peso das frutas e legumes, do valor da corrida e do volume da água e do combustível são momentos de avaliação que incluem a existência de medidas. Mas o que é uma medição? Medição é uma seqüência de procedimentos que objetivam avaliar as grandezas relacionadas com um corpo, objeto, área ou coisa. O termo uido designa qualquer meio material que tenha a propriedade de uir, ou seja, de escoar. Logo, podemos dizer que os uidos são gases, líquidos ou a mistura deles. A medição de uidos é feita, no contexto das unidades de negócio, sempre em uidos monofásicos, ou seja, em óleo, água e gás natural, após a fase primária de separação da produção. Assim, a medição da produção tem que ser feita entre as etapas de tratamento dos uidos e de transferência para o processamen processamento to posterior ou exportação. O ato de medir pressão, temperatura, vazão, viscosidade, densidade são atividades rotineiras na função do técnico de operação. Procedimentos diários e semanais fazem parte do controle da produção. Para realizar esses procedimentos e permitir um controle mais eciente do gerenciamento da produção, um técnico de operação envolve-se com atividades como:
RESERVADO
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Alta Competência
• Abrir válvulas; • Realizar manobras; • Estabilizar a produção; • Alinhar poços; • Medir a produção diária; • Realizar testes de produção (mensais) etc.
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O ritmo da produção é importante para a otimização do fator de recuperação do campo. Com os testes de produção, as medições realizadas são informadas à engenharia de reservatório, que acompanha toda a produção de cada poço e do campo todo, de modo a otimizar o fator de recuperação do reservatório, ou seja, determinar qual a melhor maneira de aproveitar ao máximo o que o reservatório (jazida) pode produzir. A medição de uidos (petróleo, gás, água...) pode ser realizada de duas maneiras: • Utilizando equipamentos dinâmicos, que determinam a vazão; • Utilizando equipamentos estáticos, que medem o volume em tanques. A seguir serão abordados aspectos fundamentais para melhor compreensão do processo de medição de uidos no contexto das Unidades de E&P. E&P.
1.1. Aspectos metrológicos da medição de fluidos A medição de uidos, dada a sua natureza, envolve critérios relacionados a metrologia e que, portanto, devem ser observados. A seguir, recordaremos alguns conceitos fundamentais que serão importantes na adequação das medições de uidos. RESERVADO
Capítulo 1. Introdução à medição de fluidos
1.1.1. Unidades de medida A unidade de medida é uma grandeza física especíca, denida e adotada por convenção, utilizada para expressar uma magnitude dessa grandeza. As unidades de medida são representadas por símbolos especícos, aceitos por convenção. Uma unidade deve sempre permitir a sua comparação e conversão em outras grandezas de mesma natureza. No Brasil é utilizado ocialmente o Sistema Internacional de Unidades (SI), que dene as sete unidades de base. São elas: o metro (comprimento); quilograma (massa); segundo (tempo); ampère (corrente elétrica); kelvin (temperatura termodinâmica); mol (quantidade de matéria) e candela (intensidade luminosa). As unidades de base do SI que interessam diretamente à técnica de medição de vazão e volume são as identicadas na tabela a seguir: Grandezas do SI utilizadas na medição de vazão Grandezas Definição oficial da unidade Unidades SI (símbolo) Comprimento metro (m) Comprimento do trajeto percorrido pela luz no vácuo durante um intervalo de tempo igual a 1/299.792.458 de segundo. Massa quilograma Massa do protótipo internacional do (kg) quilograma. Tempo segundo (s) Duração de 9.192.631.770 períodos da radiação correspondente à transição entre os dois níveis hiperfinos do estado fundamental do átomo de Césio 133. Temperatura termodinâmica kelvin (K) Fração 1/273,16 da temperatura termodinâmica do ponto tríplice da água.
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Alta Competência
A partir das unidades de base surgem as unidades derivadas, que são obtidas por combinação daquelas, tais como: • Pressão: pascal (Pa); • Viscosidade dinâmica: pascal-segundo (Pa.s).
ATENÇÃO Em certas situações, como nos sistemas técnicos e sistemas mistos, as unidades empregadas não pertencem ao SI, que é o sistema recomendado mundialmente. Exemplo: em alguns sistemas não-coerentes, a força é expressa em kgf e a pressão em kgf/cm2.
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Algumas unidades fora do SI são aceitas alternativamente, como o bar para pressão, o grau Celsius (ºC) para temperatura, o minuto (min), a hora (h) e o dia (d) para tempo. 1.1.2. Grafia das unidades de medida As regras de graa das unidades de medida são denidas internacionalmente, a m de permitir a circulação de dados e viabilizar a comunicação, evitando assim equívocos de leitura e interpretação de dados. A seguir apresentamos um resumo dessas informações: • No SI, os nomes (graas) das unidades são escritos por extenso em letras minúsculas, mesmo se as unidades constituírem nomes próprios dados em homenagem a pessoas. A exceção é grau Celsius, em que a palavra Celsius é considerada um qualicador. Exemplo: 10 newtons, 300 kelvins, 800 pascals, 20 mols; • A graa correta dos símbolos das unidades é feita em letra minúscula. Exemplo: 2 m, 40 s, 5 kg, 5 h; • Os símbolos que envolvem nomes de pessoas têm a primeira letra maiúscula. Exemplo: 10 N, 300 K, 800 Pa;
RESERVADO
Capítulo 1. Introdução à medição de fluidos
• A unidade litro (L) constitui a única exceção: pode ser escrito tanto com a letra maiúscula (para não ser confundida com o número 1), quanto com a minúscula (l); • Quando os símbolos forem formados por duas letras, somente a primeira letra deve ser escrita como maiúscula (por exemplo: Pa para pascal; St para stoke). É importante ressaltar que os símbolos devem ser usados somente quando acompanhados do valor da medição e não têm plural. Exemplo: 6,1 m, 4 h, 5 t (toneladas), 200 ml (mililitros); • Não devemos misturar a graa da unidade com o símbolo. Exemplo: m3 /d ou metro cúbico por dia (correto); m3 /dia (incorreto); 20 quilômetros por hora ou 20 km/h (correto), 20 km/hora ou 20 quilômetros/h (errado). Só devemos usar uma barra inclinada, a menos que as outras estejam entre parênteses: (m3/d)/bar (correto); m3 /d/bar (incorreto); • O plural deve existir apenas a partir de 2, inclusive. Exemplo: 1,97 metro, 0 grau Celsius, 0 h 20 min 4,678 s, 2,01 bars, 2 mols, 400 kelvins, 20 newtons, 800 pascals; • O símbolo das unidades não pode ser contaminado com outras palavras ou símbolos. A seguir são indicados alguns exemplos de graas adequadas e formas inadequadas: Grafia correta 110 V (ca) 24 V (cc) 100 W 200 cm3 300 ml ou 300 mililitros
Grafia errada 110 VCA ou 110 Vca 24 VCC ou 24 Vcc 100 Wel ou 100 Wtér 200 cc 300 eme-ele(s)
• É bom lembrar que algumas unidades já se tornaram obsoletas e não são mais aceitas no SI. É o caso do mícron; nesse caso, devese usar o micrometro (pronuncia-se micrométro, que signica a milésima parte do milímetro); outro exemplo é o grau centígrado e o grau centesimal; nesse caso, deve-se usar o grau Celsius;
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Alta Competência
• No Brasil, usa-se a vírgula como um marcador decimal e o ponto como separador de grupos de três algarismos, ao contrário dos Estados Unidos, onde se usa o ponto como marcador decimal e a vírgula como separador de algarismos. Exemplo: 0,5 m no Brasil e 0.5 nos Estados Unidos; US$ 20,50 no Brasil e US$ 20.50 nos EUA; • Em trabalhos mais abrangentes, não se deve usar vírgula ou ponto para separar os grupos de três dígitos, ou seja, deve-se deixar um espaço entre os grupos em vez do ponto ou vírgula para evitar a confusão com os diferentes países onde o ponto ou vírgula é usado como marcador decimal. Exemplo: 23 567 (correto), 23.567 (incorreto); 34,567 891 (correto), 34,567.891 (incorreto). 1.1.3. Características das medições
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O objeto da medição, ou a grandeza especíca submetida à medição, é denominado de mensurando. O resultado de uma medição é o valor atribuído a um mensurando. Toda medição está sujeita a erros. Um erro de medição pode ser denido como a diferença entre o valor calculado e o valor verdadeiro do mensurando. Como na maioria das vezes o valor verdadeiro não é conhecido, o erro não pode ser determinado, mas sim estimado. Quando se usa um padrão primário para a medida, o valor verdadeiro é conhecido por denição (valor verdadeiro convencional). Na prática, o erro de um instrumento de medição é denido como a diferença entre a indicação do instrumento e o “valor verdadeiro convencional” (VVC).
RESERVADO
Capítulo 1. Introdução à medição de fluidos
Indicação do instrumento
Valor verdadeiro ou verdadeiro convencional Erro
Mensurando
Representação esquemática do erro na medição
O valor verdadeiro convencional (VVC) pode ser denido como um valor atribuído a uma grandeza especíca e aceito como tendo uma incerteza adequada para um determinado m. Esse valor é obtido usando um instrumento de maior exatidão, ou seja, um padrão. Podemos concluir, então, que o resultado de uma medição é apenas uma estimativa do valor verdadeiro, mesmo após a correção do erro sistemático conhecido. Um erro sistemático, por sua vez, pode ser denido como um erro da medição que se mantém constante ou varia de forma previsível quando são feitas várias medições considerando uma mesma grandeza. Os erros sistemáticos e suas causas podem ser conhecidos ou desconhecidos, mas normalmente são causados por erros na amostragem ou erros nas medições. 1.1.4. Conceito de incerteza de medições No Brasil, o INMETRO (Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial) publicou o “Vocabulário Internacional de Termos Fundamentais e Gerais de Metrologia” (1995) que está em consonância com a ISO 4006 “The International Vocabulary of Basic and General Terms in Metrology” (International Organization for Standardisation) e dene o termo incerteza como “parâmetro, associado ao resultado de uma medição, que caracteriza a dispersão dos valores que podem ser fundamentalmente atribuídos ao mensurando”. (INMETRO, 1995, p. 30) A partir do conceito de “incerteza” é possível estimar uma faixa de valores dentro da qual o valor verdadeiro deve estar. A incerteza é sempre relativa ao resultado da medição, ou seja, ao valor obtido.
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Alta Competência
Em outras palavras, incerteza é uma medida do conhecimento incompleto sobre o mensurando, ou seja, do valor verdadeiro. A incerteza na medição de vazão ou volume só pode, a rigor, ser determinada através da realização de um grande número de medições, ou testes, em que os valores indicados sejam comparados com os valores indicados por outro instrumento (padrão) de incerteza mais baixa (melhor exatidão). 1.1.5. Classe de exatidão
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Segundo o Vocabulário Internacional de Metrologia (VIM), a exatidão de um instrumento pode ser denida como a “aptidão de um instrumento de medição para dar respostas próximas a um valor verdadeiro” . Dessa forma, podemos armar que a exatidão é um conceito qualitativo. Os instrumentos usados nas medições podem ter diferentes níveis de exatidão, mas devem satisfazer a certas exigências metrológicas destinadas a conservar os erros dentro de limites especicados. Uma classe de exatidão é normalmente indicada por um número ou símbolo adotado por convenção e denominado índice de classe. As classes de exatidão variam segundo o campo de aplicação. A Norma OIML R 117 indica quais classes de exatidão devem ter os instrumentos de medição em relação aos diversos sistemas de medição.
RESERVADO
Capítulo 1. Introdução à medição de fluidos
Classes de exatidão segundo a Norma OIML R 117 Classe
Campo de aplicação
0.3
• Sistemas de medição utilizados nos dutos.
0.5
Todos os sistemas de medição se forem declarados de modo diferente em algum lugar nesta tabela, em particular: • Bomba medidora para combustíveis líquidos e bomba medidora misturadora de combustíveis líquidos (exceto GLP); • Sistemas de medição montados em veículos – tanques rodoviários, utilizados para os líquidos de baixa viscosidade; • Sistemas de medição para carregamento/descarregamento de naviostanque, balsas-tanque, balsas-tanque, vagões-tanque e veículos-tanque rodoviários; • Sistemas de medição para leite; • Sistemas de medição para carregamento de navios cargueiros; • Sistemas de medição para reabastecimento de aeronaves e helicópteros.
1.0
• Sistemas de medição (outros que GLP) para gases liquefeitos sob pressão e medidos à temperatura igual ou acima de –10º C; • Bomba medidora para GLP para motores veiculares; • Sistemas de medição normalmente classe 0.3 ou 0.5, mas usados para líquidos tais como: • Cuja temperatura seja menor que –10º C ou maior que 50º C, ou; • Cuja viscosidade dinâmica seja maior que 1000 mPa.s, ou; ou; • Cuja vazão volumétrica máxima não seja maior que 20 l/h.
1.5
• Sistemas de medição para dióxido de carbono liquefeito; • Sistemas de medição (outros que GLP) para gases liquefeitos sob pressão e medidos a temperatura abaixo de –10º C.
2.5
• Sistemas de medição para líquidos a uma temperatura abaixo de –153º C.
Dependendo do campo de aplicação, cada instrumento de medição deverá atender a um nível de exatidão. Na prática temos uma relação entre a classe de exatidão de um instrumento e os seus erros máximos admissíveis, pois, quanto menor a classe de exatidão, menor também será o erro máximo admissível.
RESERVADO
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Alta Competência
Erros Máximos Admissíveis por Classes de Exatidão (Norma: OIML R 117) Classe de exatidão
0.3
0.5
1.0
1.5
2.5
Erros máximos admissíveis nos sistemas de medição
± 0,3 %
± 0,5 %
± 1,0 %
± 1,5 %
± 2,5 %
Erros máximos admissíveis nos elementos primários (medidores)
± 0,2 %
± 0,3 %
± 0,6 %
± 1,0 %
± 1,5 %
Na tabela anterior, anterior, a linha li nha “A” indica os erros máximos admissíveis para um sistema de medição, ou seja, para um conjunto de instrumentos usados para a medição de vazão ou volume. Já a linha l inha “B” dene os erros máximos admissíveis para os medidores (elementos primários do sistema de medição).
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Na área de E&P, são muito comuns as classes de exatidão 0.3 e 1.0. A classe de exatidão 0.3 impõe a obrigatoriedade do uso de medidores mais exatos e é a utilizada na medição scal. A classe de exatidão de 1.0 é usada para medição de apropriação. Segundo o RTM (Regulamento Técnico de Medição, anexo à Portaria Conjunta Nº 1, de 19 de junho de 2000), “os sistemas de medição fiscal de petróleo devem ser projetados, instalados e calibrados para operar dentro da classe de exatidão 0.3 conforme OIML R117” . A tabela a seguir apresenta as classes de exatidão e os erros máximos admissíveis na medição considerando a temperatura, massa especíca e pressão. Tabela de erros máximos admissíveis na medição de grandezas associadas (Norma OIML R 117) Classes de exatidão do sistema de medição
0.3
Temperatura
± 0,3º C
Massa específica Pressão
0.5
± 1 kg/m3
1.0
1.5
± 0,5º C ± 2 kg/m3
2.5 ± 1,0º C ± 5 kg/m3
Inferior a 1 MPa : ± 50 kPa Entre 1 e 4 MPa : ± 5 % Superior a 4 MPa : ± 200 kPa
RESERVADO
Capítulo 1. Introdução à medição de fluidos
1.1.6. Condições de referência referência utilizadas para fazer as medições são As condições de referência parâmetros estabelecidos em determinadas circunstâncias, com o objetivo de possibilitar a comparação de resultados de medições de diferentes instrumentos. instrumentos. Esse parâmetro pode ainda ser denido como condições prescritas para ensaio de desempenho de um instrumento de medição ou para intercomparação de resultados de medições. Para o caso de medição de vazão de gases, por exemplo, é obrigatória a xação das condições de pressão e temperatura, também conhecidas como “condição padrão”. IMPORTANTE!
Internacionalmente, a ISO 5024: 1999 ( International Organization for Standardization ) adotou como condição padrão (standard) a pressão de 101,325 kPa abs e a temperatura de 15 ºC. No Brasil, a condição de referência para a unidade de volume de petróleo e de gás natural é o metro cúbico (m3), à temperatura de 20 °C e à pressão absoluta de 101,325 kPa.
1.2. Conceitos físicos envolvidos na medição de fluidos Vários aspectos físicos constituem variáveis intrínsecas ao processo de medição de vazão e, portanto, devem ser destacados e conceituados preliminarmente. A seguir são apresentados as principais medidas e aspectos envolvidos na computação das vazões e volumes de petróleo e de gás natural.
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1.2.1. Massa específica A massa especíca, ou densidade de um uido, simbolizada pela letra ρ, pode ser denida como a relação entre a massa (m) e o volume (V). Assim: ρ=
m V
Onde: ρ = massa especíca;
m = massa de líquido; V = volume ocupado.
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Para exemplicar, podemos lembrar que a massa especíca da água é aproximadamente mil vezes a do ar nas condições atmosféricas. IMPORTANTE!
O quilograma por metro cúbico (kg/m 3) é uma unidade derivada do SI usada para medir a massa especíca. O termo densidade relativa ( relative density , antes denominada specific gravity ) é um valor adimensional que descreve a relação da massa especíca de um material líquido em relação à massa especíca da água, a 4ºC, e de gases em relação ao ar, na condição padrão de pressão e temperatura temperatura.. 1.2.2. Viscosidade A viscosidade viscosidade de um uido, representada pelo símbolo µ, é uma medida de sua resistência ao escoamento (cisalhamento). É uma característica do uido que expressa a facilidade ou diculdade com que ele escoa quando submetido a uma força externa. A viscosidade é a medida dos efeitos combinados de adesão e coesão das moléculas do uido entre si. Pode ainda ser denida como o atrito interno do uido ou a habilidade do uido vazar sobre si mesmo. RESERVADO
Capítulo 1. Introdução à medição de fluidos
Um exemplo clássico utilizado para explicar a idéia de viscosidade de um uido é o de uma chapa plana que se desloca em uma determinada direção, tendo um certo líquido entre a chapa e o piso que o suporta. A ilustração, a seguir, demonstra essa situação. F
Velocidade da chapa
y
h
Atrito
Perfil de velocidade das camadas do fluido
Comportamento das camadas de um uido durante seu deslocamento
Onde: h = altura total do uido; y = altura de cada camada do uido;
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F = força atuando na chapa (seta vermelha); τ = tensão de cisalhamento: força (F) dividida
pela área da chapa.
A chapa do esquema anterior representa o deslocamento de uma “lâmina” do uido newtoniano (é aquele cuja viscosidade é proporcional à taxa de cisalhamento, conforme Lei de Newton da Viscosidade). Nela, o perl de velocidade será linear, ou seja, a velocidade do uido vai variar linearmente em função da distância das “camadas” do uido. Na região de contato do uido com a chapa, a velocidade do uido é igual à velocidade da chapa. Entretanto, a velocidade do uido na região de contato com a superfície, ou piso, será igual a zero, ou seja, o uido não se desloca em contato com as paredes de um tubo. Podemos imaginar, dessa forma, que ao longo da direção y, as diversas camadas de uido estão “escorregando” umas sobre as outras, conforme o esquema anterior.
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Assim, podemos armar que, quando um uido se desloca em uma tubulação, há a formação de um gradiente de velocidade na direção y. Isso signica que a velocidade de cada camada de partículas, ao longo do trajeto do uido, decrescerá à medida que a lâmina se aproxima da parede da tubulação. E, opostamente, aumentará à medida que se distanciar das paredes. Considerando que a tensão de cisalhamento ( τ) é proporcional ao gradiente de velocidade (γ), podemos transformar a proporcionalidade em igualdade, acrescentando um fator. Esse fator é a viscosidade (µ). = μ ●
Assim, podemos considerar a viscosidade como:
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=
Onde: τ = tensão de cisalhamento; γ = gradiente de velocidade, ou seja,
‘v ‘
.
O gradiente de velocidade (v/y) considera que a velocidade de uma partícula do uido (v) varia em função da distância vertical (y) desta partícula em relação à base da superfície de apoio. Logo, podemos estabelecer a equação:
=
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Capítulo 1. Introdução à medição de fluidos
IMPORTANTE! A unidade do SI de viscosidade é o pascal-segundo (Pa.s), mas ainda é usual expressar a viscosidade em poise (P), uma unidade do CGS, ou centipoise (cP), sendo 1 cP igual a 10-3 Pa.s.
1.2.3. Viscosidade cinemática A viscosidade denida anteriormente é também conhecida como viscosidade absoluta ou viscosidade dinâmica. Podemos denir a viscosidade cinemática, simbolizada por ν, como a razão entre a viscosidade absoluta ( µ) e a massa especica ( ρ), à mesma temperatura, ou seja:
=
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Onde: ν = viscosidade cinemática;
µ = viscosidade absoluta; ρ = massa especíca.
A tabela a seguir apresenta valores típicos de viscosidade, considerando a temperatura ambiente. Vale lembrar que os valores de viscosidade caem com o aumento da temperatura, se consideramos substâncias no estado líquido.
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