Bancadas de Teste de Medidores de Gás de Múltiplas Posições: Por Que o Mesmo Medidor Pode Dar Resultados Diferentes

Equipamentos de verificação de medidores de gás multiposição permitem que vários medidores de gás conectados em série sejam verificados simultaneamente, melhorando a eficiência dos testes. Diferenças dependentes da posição podem, no entanto, afetar a precisão dos resultados da verificação. Com base na experiência prática, os autores combinaram análise teórica e experimentos para investigar três fontes de diferenças dependentes da posição: perda de pressão, características de erro do medidor e distribuição do campo de fluxo. As descobertas identificam medidas que podem reduzir essas diferenças e melhorar a confiabilidade da verificação de medidores de gás em série.

Palavras-chave: medidor de gás; equipamento de verificação; dispersão de posição; precisão

O gás natural desempenha um papel importante no sistema energético. À medida que as cidades e as redes de distribuição de gás da China se expandiram, a procura de contadores de gás e a correspondente carga de trabalho de verificação aumentaram. A ligação de contadores em série permite que uma bancada de múltiplas posições teste várias unidades numa só execução. Os autores observaram que o mesmo contador poderia dar resultados de verificação diferentes em posições diferentes da bancada. Tais diferenças podem afetar a forma como o desempenho metrológico de um contador é avaliado. O estudo investiga as suas causas e possíveis remédios para informar o uso e o design de bancadas de múltiplas posições.

O banco de seis posições com bocais sônicos utilizado no estudo tinha uma faixa de vazão de 0,04–65 m³/h e uma incerteza expandida relativa de Uᵣ = 0,36% (k = 2). Era composto por um sistema de referência de bocais sônicos, instrumentos de temperatura e pressão, tubulação e um sistema de acionamento, posições de montagem e um sistema de amostragem, e um sistema de controle computadorizado. Quando a razão entre a pressão estática na garganta do bocal e a pressão de estagnação a montante atinge seu valor crítico, a vazão mássica através do bocal atinge seu máximo para as condições a montante dadas. Reduzir ainda mais a razão de contrapressão deixa a vazão pelo bocal inalterada. O sistema de amostragem registra os volumes acumulados pelo medidor em teste e pela referência de bocal. O erro de indicação é obtido comparando-se o volume do medidor com o volume de referência corrigido para temperatura e pressão. Os medidores de teste eram medidores de gás ultrassônicos G25 classe 1,5 com faixa de vazão de 0,25–40 m³/h.

Um medidor de gás pode produzir diferentes erros de indicação quando montado em diferentes posições na mesma bancada de verificação serial? O estudo questiona como a perda de pressão, as características de erro do medidor e a distribuição do fluxo de entrada contribuem para a dispersão observada, e se uma alteração na tubulação pode reduzi-la nas condições testadas.

Os autores combinaram uma análise de pressão de entrada e vazão com duas comparações experimentais. Uma bancada de bocais sônicos de seis posições foi usada para comparar erros de indicação entre posições para seis medidores classe 1,5. Uma bancada separada de três posições foi usada para comparar o mesmo medidor ultrassônico a 40 m³/h antes e depois de adicionar uma seção de tubo reto, mantendo as condições ambientais declaradas inalteradas. Os três mecanismos e os respectivos dados de teste são apresentados abaixo na ordem do artigo original.

A perda de pressão é a queda média de pressão entre a entrada e a saída de um medidor de gás a uma vazão especificada. O artigo a relaciona ao atrito dentro do medidor, incluindo o atrito associado aos seus canais de escoamento e componentes móveis. Os autores citam o regulamento de Jiangsu então aplicável JJG (Su) 206–2018, que especificava uma perda de pressão máxima de 300 Pa para medidores com 16 m³/h ≤ Qₘₐₓ ≤ 65 m³/h. Eles estimam que a diferença de pressão na entrada entre a primeira e a sexta posições de uma bancada de seis posições pode exceder 1.000 Pa e afetar a comparação.

A análise considera as entradas do medidor à mesma elevação e aproxima o ar como um gás ideal. O artigo aplica a seguinte relação de Bernoulli nas entradas:

p + ½ρv² + ρgh = C　(1)

p = pressão na entrada (Pa); ρ = densidade do gás (kg/m³); v = velocidade (m/s); g = aceleração gravitacional (m/s²); h = elevação da entrada (m); C = constante.

v = √[2(C − p − ρgh)/ρ]　(2)

Na análise dos autores, com C tratado como constante, a Equação (2) associa menor pressão de entrada p a maior velocidade de entrada v. Para uma área de seção transversal fixa s, Q = v × s, portanto mudanças na velocidade alteram a vazão volumétrica local. Os autores argumentam que as perdas de pressão em medidores conectados em série podem, portanto, alterar as condições de fluxo em diferentes posições e afetar seus resultados de verificação. Eles propõem reduzir o atrito dentro do medidor, melhorar a tubulação entre posições e avaliar a perda de pressão acumulada ao definir uma diferença de posição admissível e escolher o número de posições de teste.

Os medidores podem diferir no erro de indicação, estabilidade e repetibilidade devido a diferenças de fabricação. Os autores identificam tais diferenças como um contribuinte importante para os resultados obtidos em diferentes posições de bancada. Eles definem a dispersão de posição Δ da seguinte forma:

Δ = |Eₘₐₓ − Eₘᵢₙ|　(3)

Eₘₐₓ e Eₘᵢₙ são os erros de indicação mais alto e mais baixo medidos para o mesmo medidor de teste em todas as posições da bancada.

Usando o critério citado no artigo, a dispersão de posição foi limitada a um quarto da classe de exatidão numérica do medidor em teste. Os autores testaram seis medidores de classe 1,5 sob as mesmas condições ambientais na bancada de seis posições, aplicando um limiar de 0,375%. Os dados são reproduzidos na Tabela 1.

Dois dos seis medidores excederam o limiar de 0,375% usado no estudo. Isso demonstra que a dispersão de posição medida pode diferir entre medidores testados na mesma bancada. Os autores recomendam melhorar a estabilidade e a confiabilidade dos medidores. Para avaliar a consistência de posição em um padrão de medição, eles recomendam selecionar um medidor de teste com características metrológicas estáveis.

As curvas são comuns em bancadas de teste de medidores de gás e em instalações de campo. O artigo explica que as diferenças de velocidade e de força centrífuga ao longo de uma curva podem gerar escoamento secundário, aumentando a perturbação e reduzindo a uniformidade do perfil de velocidade. Isso pode influenciar os resultados entre as posições da bancada, particularmente para medidores sensíveis aos perfis de escoamento de entrada, como medidores de gás ultrassônicos e térmicos.

Para investigar o efeito de uma seção de tubo reto adicionada, os autores usaram uma bancada de bocal sônico de três posições incorporando curvas. Ela tinha uma faixa de vazão de 0,04–65 m³/h e uma incerteza expandida relativa de Uᵣ = 0,34% (k = 2). Eles testaram o mesmo medidor ultrassônico, número de série 35180824128, a 40 m³/h com e sem a seção adicionada, mantendo as condições ambientais inalteradas. O resultado relatado do teste de estabilidade do medidor foi de 0,23%. Consulte a Tabela 3 original para as medições.

Após a adição da seção reta, a dispersão de posição medida caiu de 0,70% para 0,28%. Os autores interpretam o resultado como evidência de que a seção reta adicionada melhorou a distribuição do fluxo e a consistência de posição em sua configuração. Eles sugerem comprimentos retos de 8D–15D, onde D é o diâmetro interno do tubo, e propõem guias de fluxo onde o espaço disponível é limitado. Eles também recomendam reduzir o número de curvas na tubulação da bancada.

Os resultados das seis posições mostram que a escolha do medidor de teste é importante ao avaliar a consistência da posição da bancada. Dois medidores excederam o critério de 0,375% do estudo, enquanto os outros quatro não. Na bancada separada de três posições, a adição de uma seção reta reduziu a dispersão de 0,70% para 0,28% para o medidor testado, uma redução de 0,42 pontos percentuais. Em conjunto, os experimentos apoiam a verificação tanto da estabilidade do medidor quanto do arranjo da tubulação de entrada ao diagnosticar um resultado dependente da posição. A comparação da seção reta abrange um medidor em um ponto de vazão.

Com base na experiência prática de verificação, na análise teórica e em experimentos, o artigo examina as causas das diferenças dependentes da posição e os possíveis remédios em termos de perda de pressão, características de erro do medidor e distribuição do campo de escoamento. Os autores pretendem que estas descobertas ajudem os laboratórios de verificação e os fabricantes de medidores de gás a melhorar a precisão e a confiabilidade dos testes em múltiplas posições.

Um estudo de acompanhamento poderia repetir a comparação de trechos retos em vários pontos de vazão, tecnologias de medidores e configurações de entrada. Registrar a pressão e a temperatura específicas de cada posição, leituras repetidas e a incerteza de medição ajudaria a separar o efeito da tubulação da variabilidade do medidor e a estabelecer até que ponto a melhoria observada se transfere para outras bancadas.

As equações (1)–(3) reproduzem a análise da fonte. Em uma bancada real, as perdas entre as posições devem ser consideradas antes de usar a relação de Bernoulli para prever uma diferença de velocidade. Os critérios históricos do estudo, as leituras de amostra e os comprimentos de tubo reto devem ser interpretados dentro do contexto original do teste.

Xu Z., Zhao Z., Zhou Y. Análise das Causas e Contramedidas para Diferenças de Posição em Equipamentos de Verificação de Medidores de Gás com Múltiplas Posições [título traduzido]. 2022, 32(2), pp. 34–36. Registro DOI.

Foto de capa editorial: Betty Carrell, Departamento de Energia dos EUA. Trabalho do Governo dos EUA conforme registo de origem. Recortado para o layout da capa com sobreposição de título. A fotografia ilustra trabalho de engenharia.