Calibração dos equipamentos

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DO OESTE DO PARANÁ
CAMPUS DE TOLEDO
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS – CECE
ENGENHARIA QUÍMICA
PRÁTICA 03 – INSTRUMENTOS DE MEDIDA DE VAZÃO, PRESSÃO E TEMPERATURA
Junho – 2016
TOLEDO – PR
LALESCA POZZEBON
LETICIA CAMILO FREIRE
LETICIA THAIS CALDEIRA
VALERIA FALLAVIGNA
INSTRUMENTOS DE MEDIDA DE VAZÃO, PRESSÃO E TEMPERATURA
	
Relatório apresentado à disciplina de Laboratório de Engenharia Química I. Universidade Estadual do Oeste do Paraná - Campus de Toledo.
Professora coordenadora: Márcia Veit
Professora orientadora: Veronice Slusarski Santana
Junho – 2016
TOLEDO– PR
RESUMO 
O conhecimento de grandezas físicas como vazão, pressão e temperatura são de grande importância a nível industrial como também para o meio ambiente e segurança. Desta forma, conhecer o princípio de funcionamento e a qualidade de calibração deles é imprescindível, sendo este o objetivo da prática. O estudo da vazão foi realizado utilizando-se um rotâmetro e variando-se as vazões por meio do controle das válvulas do módulo experimental. Para a pressão, utilizou-se o mesmo módulo experimental, entretanto, ao invés de um rotâmetro o equipamento analisado foi o manômetro de Bourdon para o qual obteve-se diferentes valores de pressão que foram verificados no manômetro em U. Para a temperatura, utilizou-se de três termômetros com princípio de funcionamento diferente, sendo eles o termômetro digital, analógico e de mercúrio. A calibração foi verificada de acordo com a temperatura apresentada pelo banho termostático para intervalos regulares de 5⁰C. Para o rotâmetro, obteve-se a curva de calibração , para a pressão e para o termômetro de mercúrio y = 1,02143x + 0,2857 sendo este o termômetro de melhor calibração. A análise para as curvas foi feita mediante a observação dos coeficientes lineares e angulares sendo que a exatidão seria obtida para coeficientes lineares iguais a zero bem como a precisão para coeficientes angulares iguais a um (y=x). A curva para a vazão apresentou pequena divergência quando comparados os parâmetros, sendo a calibração apresentada satisfatória se considerado o tempo de uso do rotâmetro. Entretanto, para a pressão verificou-se pouca precisão. Por fim, para a temperatura a melhor calibração foi conferida para o termômetro de mercúrio seguido pelo digital, e por fim o analógico tanto para as análises de precisão quanto para exatidão. É válido considerar a ocorrência de erros experimentais bem como a danificação dos equipamentos. Logo, alguns equipamentos mostraram-se mais confiáveis que outros mostrando a importância da manutenção rotineira visando resultados mais precisos e exatos.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
Instrumento de medida de vazão
Para a realização do experimento o rotâmetro foi inicialmente ajustado na vazão correspondente a 1L/min. Variou-se a vazão gradativamente em 1 L para então fazer a leitura do equipamento e também a coleta de massa de água. Estas análises foram feitas em triplicata e os dados (sem qualquer ajuste) estão dispostos da Tabela 01.
Tabela 01: Dados obtidos experimentalmente para vazões variadas.
	Pontos
	1
	2
	3
	4
	5
	6
	Vazão rotâmetro (L/min)
(±0,25 L/min)
	1
	2
	3
	4
	5
	6
	Massa de água + balde (g) 
(±5.10-4 kg)
	364
	470
	586
	704
	838
	940
	
	348
	472
	592
	700
	816
	928
	
	356
	 
	 
	722
	828
	964
	Tempo (s)
(±0,005 s)
	7,13
	7,09
	7,07
	7,13
	7,15
	7,17
	
	7,13
	7,13
	7,27
	6,99
	7,09
	6,95
	
	7,3
	 
	 
	7,29
	7,17
	7,27
	Vazão (g/s)
	16,5498
	31,5938
	48,0905
	64,2356
	82,7972
	96,7922
	
	14,3058
	31,6971
	47,5928
	64,9499
	80,3949
	98,1295
	
	15,0685
	-
	-
	65,2949
	81,1715
	98,762
A temperatura aferida no procedimento foi de 24°C, e a densidade obtida por meio da interpolação de dados corresponde a 997,576 (g/L) (INCROPERA, 2008). Segundo Ribeiro et al, (2002), a densidade está relacionada com a composição de misturas e soluções e a concentração de sólidos em suspensão. 
De acordo com Giles et al, (1983) a densidade () de uma substância pode ser expressa pela Equação 1.
	
	(01)
 Com relação à determinação da vazão, a densidade é importante como uma forma de deduzir a vazão mássica de fluidos compressíveis por meio da vazão volumétrica obtida. Estas correlações entre as vazões podem ser expressas pelas Equações 02, 03 (Ribeiro. M.A et al, (2002)). 
	
	(02)
	
	(03)
Em que: se refere à massa da substância; ao volume ocupado pela respectiva massa e está associado ao tempo de escoamento observado.
Desta forma, para determinar a vazão volumétrica requerida inicialmente determinou-se a vazão mássica para então por meio das equações acima, calcular a vazão volumétrica. Realizou-se o cálculo da primeira medida do ponto 1 (descontando-se a massa do balde) e fazendo para os demais pontos de forma análoga.
Os demais valores obtidos para vazões volumétricas encontram-se dispostos na Tabela 02.
Tabela 02: Vazões, média das vazões e desvio calculados a partir dos dados experimentais.
	Vazão rotâmetro (L/min)
	1
	2
	3
	4
	5
	6
	Vazão volumétrica (L/min)
	0,8604
	1,9002
	2,8924
	3,9065
	4,8354
	5,9021
	
	0,9063
	1,9064
	2,8625
	3,9272
	4,8821
	5,9401
	Vazão volumétrica média (L/min)
	0,8834
	1,9033
	2,8775
	3,9168
	4,8588
	5,9211
	Desvio da vazão
	0,0324
	0,0044
	0,0212
	0,0147
	0,0330
	0,0269
O rotâmetro é um medidor de vazão industrial utilizado com o intuito de medir a taxa de vazão de líquidos e gases. Este equipamento é composto por um tubo e um flutuador sendo que a resposta do flutuador para as alterações nas taxas de vazão é linear. A operação do rotâmetro parte do princípio de área variável: a vazão do fluido eleva um flutuador, aumentando a área de passagem do fluido. Quanto maior a vazão, mais alto o flutuador é elevado. Logo, a altura do flutuador é diretamente proporcional à taxa de vazão (OMEGA, online). 
Com intuito de obter a equação de calibração do equipamento, as vazões volumétricas do rotâmetro em relação às vazões médias calculadas foram plotadas. A representação dos pontos, e a reta obtida estão dispostas na Figura 01.
Figura 01: Representação da curva de calibração do rotâmetro.
O termo calibração refere-se ao conjunto de operações que estabelece, sob condições especificadas, a relação entre os valores indicados por um instrumento de medição, e os valores correspondentes das grandezas estabelecidas por padrões (UFJF, online). Logo, a curva de calibração fornece a relação de funcionamento entre o equipamento (rotâmetro) a ser calibrado com a vazão volumétrica de referência, sendo esta curva obtida por meio de um ajuste linear de forma ().
Instrumentos que apresentam um alto grau de calibração devem possuir o coeficiente linear próxima de zero enquanto que seu coeficiente angular deve se aproximar de um. Logo, um instrumento perfeitamente calibrado apresentará uma curva do tipo (INMETRO, online). Além disso, o valor correspondente ao coeficiente de determinação R2, que indica quanto da variação total é comum aos elementos que constituem os pares analisados, também deve ser ponderado (UFPA, online).
 . A partir da curva obtida do experimento obteve-se a equação da reta demonstrada pela Equação 04.
	
	(04)
Analisando-se a equação obtida, observa-se que ambos os parâmetros, coeficiente linear e angular possuem valores esperados a vista que se aproximam de zero e um respectivamente. 
Observado-se assiduamente o desempenho dos dados na Figura 01, pode-se afirmar que a precisão é de maior significância quando comparada a exatidão, pois, tem-se um comportamento tendencioso dos dados, porém, estes não são exatos. Além disso, o coeficiente de determinação R2 obtido corresponde a 0,9998 confirmando a linearidade e proximidade dos dados obtidos. 
Os possíveis erros associados a realização da prática podem estar atreladosao operador como também no funcionamento do instrumento. Os operadores observaram que no reservatório de captação de água haviam bolhas sendo constantemente formadas e entrando pela bomba. Tal fenômeno pode causar um processo de cavitação nas tubulações do equipamento, pois, a entrada de ar implica em uma diferença de densidade entre o ar e a água, fazendo que com que houvesse oscilação no flutuador do rotâmetro gerando dificuldade na leitura do módulo o que resulta em valores inexatos de vazão.
Na maioria das operações realizadas nos processos industriais é de extrema importância realizar a medição e o controle da quantidade de fluxo (vazão) de líquidos com intuito de verificar o rendimento do processo (UNESP, online). Segundo Bojorge et al, uma grande necessidade das medições de fluidos industriais está atrelada a produtos químicos, óleo diesel, petróleo, água industrial entre outros. Logo, tendo em vista fatores como rendimento e velocidade de escoamento para um determinado processo, a calibração dos instrumentos de vazão mostra-se como uma ferramenta de suma importância. 
Instrumentos de medida de pressão
Segundo SMITH et. al. (2007), define-se pressão como a força aplicada (F) perpendicularmente a uma determinada área (A), como representado na Equação 05 abaixo.
	
	(05)
A medição da pressão é baseada em princípios físicos ou químicos e nas modificações da matéria durante o processo, geralmente sendo do tipo elástico ou do tipo líquido (SENAI, 1999). Na prática utilizou-se o manômetro de Bourdon e também o manômetro em U (mercúrio). O manômetro de tubo em U é um dos métodos de mediação do tipo líquido mais simples. Este considera a diferença de pressão entre dois pontos desconhecidos, portanto, mede uma diferença na altura da coluna de fluido (diferença manométrica) (SCHNEIDER, 2012). 
Nessa situação, relaciona-se a distância entre os pontos (H), a densidade do líquido () e a aceleração da gravidade, conforme a Equação 06 (FRANÇA, 2007).
	
	(06)
Já o tubo de Bourdon é do tipo elástico e consiste em um tubo com seção oval, que poderá estar disposto em forma de “C”, espiral ou helicoidal, sendo que uma de suas extremidades é fechada, enquanto a outra esta aberta à pressão a ser medida. Obtém-se a pressão pela deformação mecânica que movimenta uma engrenagem que indicará o valor em uma escala graduada. (SENAI, 1999)
Para a realização do experimento abriu-se totalmente as válvulas V1 e V2 e fecharam-se totalmente as válvulas V3, V4 e V5. Em seguida ligou-se a chave liga/desliga, regulando a abertura da válvula V4 até as pressões pré-estabelecidas. Na Tabela 03 são apresentados os dados coletados experimentalmente para os diferentes valores das pressões no manômetro de Bourdon.
Tabela 03: Dados experimentais obtidos para diferentes pressões
	Pontos
	1
	2
	3
	4
	5
	Manômetro (kgf/cm²) (±0,05 kgf/cm²)
	0,1
	0,2
	0,3
	0,4
	0,5
	ΔH mercúrio (mmHg)(±0,5 mm)
	115
	159
	207
	293
	357
Determinaram-se as pressões referentes às alturas medidas por meio da Equação 06, considerando-se a densidade do mercúrio 13536,33 Kg/m³ (INCROPERA, et. al., 2008) e a aceleração da gravidade é igual a 9,81 m/s², como mostrado no calculo da primeira medida abaixo. Os valores das pressões calculadas encontram-se na tabela 04.
Tabela 04: Pressões obtidas nos diferentes manômetros.
	Pontos
	1
	2
	3
	4
	5
	Manômetro de Bourdon
(±0,05 kgf/cm²)
	
0,1
	
0,2
	
0,3
	
0,4
	
0,5
	Manômetro em U de mercúrio
(±0,0005 kgf/cm²)
	
0,1557
	
0,2153
	
0,2804
	
0,3969
	
0,4854
Com os dados da Tabela 04, plotou-se um gráfico da Figura 02.
Figura 02: Representação da curva de calibração do manômetro de Bourdon em relação ao manômetro de tubo em U.
A equação da reta obtida na curva é demonstrada na equação 07, sendo y a pressão do manômetro de Bourdon e x a pressão do manômetro de tubo em U.
	
	
	(07)
Nota-se pela equação que o coeficiente linear ficou próximo de zero como o esperado, no entanto o valor do coeficiente angular não se aproximou tanto de 1. Observa-se também que o coeficiente de correlação linear (R²) obtido foi de 0,97842.
Deste modo o manômetro de Bourdon não apresentava um alto nível de calibração, visto que mesmo mostrando-se preciso este não foi de grande exatidão em sua medição. Estes erros na medição podem estar associados principalmente a erros de paralaxe na leitura da escala (operador) e também ao instrumento.
Assim como no experimento referente aos instrumentos de medição da vazão, o fato da entrada e da saída da água estarem muito próximas acaba por formar bolhas de ar na entrada da bomba, como já foi mencionado para a análise da vazão, consequentemente, havendo oscilações na vazão e na coluna de mercúrio, implicando em leituras inexatas da pressão.
Outro fato a se levar em consideração é que no manômetro de tubo em U, segundo FRANÇA (2007), podem ocorrer erros de verticalidade, falta de estanqueidade, variação de temperatura entre os diferentes momentos de medida, ou entre condições de calibração e medida; efeito de variação de elevação (diferença entre a pressão atmosférica local e a pressão atmosférica do local de calibração) e efeitos de capilaridade (tensão superficial), o que pode ter influenciado nos resultados obtidos.
A pressão é a variável mais usada na indústria de controle de processos e por meio dela é facilmente possível aferir outras variáveis de processo, tais como nível, volume, vazão, densidade, entre outras (PROFIBUS,online). A incerteza na medição básica dessa e nas demais variáveis do controle de processos coloca em risco as operações na indústria, quanto a sua eficiência, confiabilidade e segurança do processo. Além disso, pode acarretar prejuízos e danos aos equipamentos e/ou produtos.
Instrumentos de medida de temperatura
Para realização da prática envolvendo instrumentos de medida de temperatura, ligou-se o banho termostástico e selecionou-se a temperatura final correspondente a 55°C. Em intervalos regulares do aumento de 5°C do valor de referência (banho termostático), aferiu-se a temperatura através do termômetro de mercúrio, digital e analógico, cujos dados obtidos estão dispostos na Tabela 05, bem como o erro associado a cada um.
Tabela 05: Dados obtidos experimentalmente para cada instrumento de temperatura.
	Pontos
	1
	2
	3
	4
	5
	6
	7
	Tempo (s)
	00:00,0
	02:51,1
	05:47,4
	08:47,0
	11:52,0
	15:05,9
	18:41,3
	Temperatura do banho (± 0,05 °C)
	25
	30
	35
	40
	45
	50
	55
	Termômetro de Hg (± 0,05 °C)
	26
	31
	36
	41
	46
	51
	57
	Termômetro analógico
(± 2,5 °C)
	25
	30
	35
	39
	43
	48
	54
	Termômetro digital (± 0,05°C)
	25,8
	30,7
	35,7
	40,7
	45,5
	50,6
	55,7
Utilizando os valores presentes na Tabela 05, construiu-se uma curva de calibração para cada tipo de termômetro analisado em relação à temperatura de referência do banho termostático, representadas pela Figuras 03, 04 e 05.
Figura 03 – Curva de calibração para o Termômetro de Hg.
Figura 04 – Curva de calibração para o Termômetro Analógico.
Figura 05 – Curva de calibração para o Termômetro Analógico
Por meio da construção de cada curva, pode-se realizar a análise de alguns parâmetros estatísticos, como as equações das retas e seus respectivos coeficientes de determinação, cujos dados estão presentes na Tabela 06, onde y representa a temperatura do termômetro e x a temperatura do banho termostático.
Tabela 06: Equações da reta e coeficiente de determinação para cada tipo de termômetro.
	Termômetros
	Equação da Reta
	Coeficiente de Determinação (R²)
	Analógico
	y = 0,93571x +1,71429
	0,99617
	Digital
	y = 0,995x + 0,87143
	0,99994
	De Mercúrio
	y = 1,02143x + 0,2857
	0,99912
A base de funcionamento do termômetro analógico é pelo princípio de expansão linear de metais, onde um par de hastes metálicas de dois materiais distintos soldados entre si se dilatam diferencialmente causando a flexãodo conjunto, acionando um dispositivo indicador da temperatura. É aplicável para medição de temperaturas de -50 a 500°C e, como seu tempo de resposta varia de 15 a 40 segundos, seu uso não é recomendado para leituras transientes (UNICAMP, online). Analisando do coeficiente de determinação para o termômetro analógico utilizado no experimentalmente, pode-se dizer que os dados se comportaram de maneira linear visto que foram próximos de um. Porém, como o coeficiente angular e linear desse termômetro foram os que menos se aproximaram de 1 e 0, respectivamente, este instrumento se demonstrou pouco exato, o que pode ser explicado devido ao seu elevado tempo de resposta ou pela má dilatação dos metais.
Em relação ao termômetro digital, seu funcionamento ocorre à base de sensores elétricos que calculam as temperaturas máxima e mínima, cuja faixa é de -200 a 600°C. São muito utilizados para medição de temperaturas de ambientes e muito importantes em processos industrias em geral, pois não necessitam de uma medição constantes, apenas pontual. Os valores obtidos para o coeficiente de determinação e coeficiente angular do termômetro digital utilizado no experimento se mostraram mais próximos de 1 em comparação com o analógico, revelando que os dados são precisos entre si. Já o coeficiente linear não se aproximou tanto do valor desejado (zero), demonstrando pouca exatidão. Isso pode ter acontecido devido ao longo tempo que este equipamento tem sido usado, fazendo com que sua sensibilidade e resistência elétrica tenham tido eficiência reduzida.
Já o termômetro de mercúrio é o modelo mais comum deste tipo de instrumento de medida. A expansão térmica do mercúrio é uniforme, mostrando-se eficiente para medição de temperaturas entre -30 e 320°C. Não possui aderência possui aderência ao vidro e sua aparência metálica facilita a leitura. Ele é composto por um bulbo que contém o liquido e é adaptado a uma haste capilar, cujo diâmetro pequeno destaca a dilatação ou a contração da substância, conforme a temperatura, aumentando a precisão da leitura (PIRES et al, 2006). Experimentalmente, este tipo de termômetro foi o que apresentou melhores resultados, visto que além de seus coeficientes angulares e R² forem próximos de 1, seu coeficiente linear foi o que mais se aproximou de zero, sendo mais exato e de melhor desempenho, mesmo sendo o termômetro feito de forma mais simples que os demais, obtendo valores mais próximos do real.
Outra análise que pode ser feita a respeito da prática é em relação à taxa de aquecimento do banho, cujo utilizado era da TECNAL TE-184, através da curva de temperatura pelo tempo, presente na Figura 06.
Figura 06 – Representação da taxa de aquecimento do banho termostático.
Pela construção do gráfico da Figura 06, obtiveram-se também a equação da reta e o coeficiente de terminação (R²), sendo:
 y = 1,61656x + 25,81124 e R²=0,99704
De maneira análoga aos termômetros utilizados, o coeficiente de terminação foi bem próximo de 1 demonstrando que os dados obtidos se comportaram de maneira linear, onde a temperatura do banho termostático cresceu linearmente durante o experimento. O valor obtido para o coeficiente linear, neste caso, representa a temperatura no momento inicial do teste, ou seja, com x=0. Como o valor obtido foi de 20,81124 e não 25 é possível que o equipamento não tivesse sido calibrado corretamente, visto que o valor obtido não se ajustou com o real. Já o valor do coeficiente angular representa a taxa com que houve o aquecimento do banho, sendo esta equivalente a 1,61656°C por minuto. Alguns dados relevantes presentes na ficha técnica deste equipamento são que a precisão de controle é de ±0,1°C e uniformidade na temperatura de ±0,3°C, porém não é apresentada taxa de aquecimento deste (TECNAL, online).
Sendo a temperatura uma das variáveis de maior aplicação na indústria de controle de processos e diversos outros segmentos, é de extrema importância que haja sempre o controle e manutenção dos equipamentos de permitem sua obtenção, bem como sua calibração regular para seu funcionamento apresente bom desempenho. Segundo Saad (2012), os únicos profissionais qualificados para realizar tais testes são engenheiros e mecânicos licenciados, podendo estes durarem horas dependendo da complexidade do equipamento.
CONCLUSÃO
O estudo das variáveis, vazão, pressão e temperatura são justificadas pela sua alta aplicabilidade e importância a nível industrial para tanto, a calibração dos instrumentos é primordial. Para conferir a satisfatoriedade da curva de calibração, esperavam-se valores de x iguais aos de y, ou seja, coeficientes angulares iguais a 1 e linear iguais a 0. Na análise da vazão, obteve-se precisão e exatidão demonstrando que o rotâmetro apresentava uma calibração considerável. Para a pressão com o manômetro de Bourdon, o mesmo não pode ser verificado, pois, este não apresentou uma precisão relevante embora, sua exatidão tenha sido satisfatória. Já para a temperatura, a menor calibração obtida foi a apresentada pelo termômetro analógico sendo este inexato e impreciso, enquanto que, para o digital sua precisão foi apreciável porém, não foi observado uma boa exatidão. Por fim, o termômetro de mercúrio apresentou os melhores resultados sendo este o termômetro de melhor calibração. É importante ressaltar que, a calibração está relacionada ao funcionamento de cada termômetro. Dessa forma, nota-se que nem todos os equipamentos mostraram calibração satisfatória, sendo que, a realização da calibração periódica pode aumentar a vida útil destes garantindo medidas mais confiáveis.
REFERENCIAS
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