Projeto geral do sistema de calibração automática para medidores de vazão de tipo “vortex street”

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Este tópico foi editado pela última vez por 955559 em 09/09/2018, às 12:06. Medidor de vazão de tipo “vortex”: 1. Método de calibração da vazão instantânea. Ligue a bomba de frequência; abra as válvulas elétricas 1 e 2 por meio do controlador de válvulas elétricas. Ajuste a válvula manual, observando ao mesmo tempo o valor indicado pelo medidor de vazão de rotores de vidro. Ajuste a válvula manual até que a vazão atinja o valor especificado para calibração. Após a estabilização do fluxo, observe os valores indicados pelo medidor de vazão com rotor de vidro e pelo medidor de vazão de tipo “vortex” a ser calibrado. Utilizando o medidor de vazão com rotor de vidro como referência, calcule o erro relativo entre os dois dispositivos. Em seguida, insira esse erro no campo destinado aos erros do medidor de vazão de tipo “vortex” a ser calibrado, por meio do teclado. 2. Método de calibração do fluxo acumulado: Para a calibração do fluxo acumulado, primeiro se define um valor de referência para o fluxo, seguindo os mesmos passos utilizados na calibração do fluxo instantâneo. Depois que o fluxo se estabiliza, utiliza-se o controlador das válvulas elétricas para fechar a válvula elétrica 1 e abrir a válvula elétrica 2, de modo que a água no recipiente de medição do fluxo acumulado seja esvaziada. Em seguida, o controlador das válvulas elétricas é usado novamente para fechar a válvula elétrica 1 e abrir a válvula elétrica 2, iniciando assim a calibração do fluxo acumulado. Nesse momento, deve-se anotar imediatamente o valor do fluxo acumulado indicado pelo medidor em questão. Quando o volume de água no recipiente de medição atinge um certo valor, aparece uma marcação no marcador correspondente. Nesse ponto, o controlador das válvulas elétricas é usado para fechar a válvula elétrica 1, e ao mesmo tempo, anota-se o valor da marcação no marcador e o valor do fluxo acumulado indicado pelo medidor. A diferença entre esses dois valores é comparada com o valor marcado no recipiente de medição, para se obter o erro relativo. Esse valor é inserido no registro de erros do medidor por meio do teclado. A calibração do fluxo acumulado geralmente leva alguns minutos. O acima mencionado refere-se apenas à calibração de um único local de medição de fluxo. De acordo com o princípio de medição descrito na seção 2.1.1, para realizar a correção não linear em um medidor de vazão do tipo “vortex street”, é necessário calibrar separadamente os 7 pontos de calibração do fluxo. O sistema de calibração manual controla o fluxo por meio de válvulas manuais. Em seguida, são lidas as leituras do medidor de vazão a rotores de vidro (medidor padrão), e essas leituras são comparadas com as leituras do medidor a ser calibrado, a fim de se obter o erro relativo. Os parâmetros de erro correspondentes são definidos por meio do teclado, permitindo assim a correção de erros não lineares. A paralaxe pode afetar as leituras do medidor de vazão com rotor de vidro, comprometendo assim a precisão da calibração. Quando se realiza a calibração para baixos caudais, como o erro de leitura do medidor de vazão com rotor de vidro é maior nesse caso, não é possível utilizar o método de calibração por vazão instantânea. Nesse caso, é necessário usar o método de calibração por vazão acumulada. Calibrar um ponto de vazão usando o método de calibração por fluxo acumulado leva alguns minutos, e é possível calibrar apenas um ponto de vazão em um único medidor de cada vez; portanto, a eficiência da calibração é muito baixa. Em resumo, o sistema de calibração manual apresenta problemas como baixa precisão na calibração e baixa eficiência nesse processo. Considerando os problemas existentes nos sistemas de calibração manual, é necessário desenvolver um sistema de calibração automatizado para resolver esses problemas. 1. Análise das necessidades do sistema e projeto geral 1.1 Análise das necessidades do sistema O sistema de calibração automatizado consiste na transformação automática dos sistemas de calibração manuais existentes, com o objetivo de resolver problemas como baixa precisão na calibração e baixa eficiência no processo de calibração. Um sistema de calibração automática consiste na criação de um sistema de controle computacional, com o objetivo de realizar uma calibração precisa do fluxo. Além disso, é possível calibrar vários medidores de fluxo de tipo “vortex” ao mesmo tempo, o que aumenta a eficiência da calibração. Com base na estrutura de um sistema de calibração manual, utiliza-se o método dos medidores padrão para a calibração. O sistema de calibração automática possui as seguintes exigências. (1) Plataforma de controle por computador: A plataforma de controle por computador é utilizada para realizar o controle da regulação do fluxo, para acessar medidores de vazão de alta precisão e os medidores de tipo “vortex” que precisam ser calibrados, além de permitir a interação homem-máquina e o agendamento das etapas de calibração. (2) Dispositivo de regulação de vazão O dispositivo de regulação de vazão, como meio para definir o valor da vazão, precisa ser capaz de se comunicar com a plataforma de controle computacional, a fim de receber os comandos de regulação de vazão enviados por essa plataforma. (3) Medidor de vazão de alta precisão – Como instrumento padrão para a calibração de vazões, o medidor de vazão de alta precisão precisa ser capaz de se comunicar com a plataforma de controle por computador, recebendo os comandos de acesso às informações de vazão enviados pela plataforma. (4) Calibração simultânea de vários medidores: O sistema de calibração automatizada precisa ser capaz de calibrar simultaneamente vários medidores de vazão do tipo “vortex street” que precisam ser calibrados.
5) Protocolos de comunicação: Como os dispositivos de controle da vazão e os equipamentos de detecção da vazão são adquiridos externamente, os protocolos de comunicação devem ser aqueles que são mais utilizados no setor industrial.
2) Projeto geral do sistema: O projeto geral do sistema é desenvolvido com base na análise das necessidades do sistema de calibração automatizada. O esquema da plataforma de hardware do sistema está mostrado na Figura 2-6. O sistema é composto principalmente por um controlador τ, um medidor de vazão de tipo “vortex” com precisão de 0,1, o medidor de vazão de tipo “vortex” a ser calibrado, um conversor de frequência, uma bomba com controle de frequência, um conversor RS-232 para RS-485, tanques de armazenamento e tubulações de transporte de água. Dentre eles, os medidores de vazão de alta precisão, os medidores de vazão a serem calibrados e os conversores de frequência possuem interface de comunicação RS-485 com protocolo Modbus. O computador se comunica com esses dispositivos por meio do barramento RS-485; o protocolo de comunicação utilizado é o Modbus, que é amplamente adotado no setor industrial em todo o mundo. (1) Escolha do método de regulação do fluxo. Geralmente, existem duas maneiras de regular o fluxo: uma delas é utilizar válvulas de regulação elétricas e bombas de frequência fixa para formar um componente de regulação do fluxo, ajustando-se a abertura da válvula para controlar o fluxo; a outra maneira é usar conversores de frequência e bombas de frequência variável para formar um componente de regulação do fluxo, ajustando-se a frequência de operação do conversor de frequência para controlar o fluxo. Ao se utilizar uma válvula de regulação para controlar o fluxo, a bomba de frequência industrial funciona em sua velocidade máxima; ou seja, o fluxo de água extraído pela bomba é o fluxo máximo possível. A válvula de regulação controla o fluxo ajustando seu grau de abertura. O problema com esse método de regulação é o seguinte: independentemente do fluxo de água especificado, a bomba de frequência industrial continua a operar em velocidade máxima. Isso resulta em um consumo energético elevado, o que vai contra os princípios de economia de energia. Quando a válvula de regulação ajusta seu grau de abertura, a pressão da água no tubo também muda, causando flutuações no fluxo de água. Essa situação não é permitida nos sistemas de calibração. Portanto, não se utiliza esse método de regulação. Ao usar um conversor de frequência para regular o fluxo, é possível resolver de maneira eficaz os problemas associados à regulação do fluxo por meio de válvulas reguladoras. O conversor de frequência pode regular o fluxo da bomba de frequência variável por meio da ajuste da frequência. Quanto menor o fluxo, menor será a frequência emitida pelo conversor de frequência, e, assim, menor será o consumo energético da bomba. Além disso, como esse método de regulação do fluxo não envolve a utilização de válvulas de controle, a pressão da água nos canos permanece estável, o que faz com que o fluxo da água também seja estável. Isso torna esse método adequado para a calibração do fluxo em sistemas de medição. Em resumo, a utilização de conversores de frequência e bombas com controle de frequência como componentes para regular o fluxo oferece vantagens como economia de energia e estabilidade no fluxo de saída. Por isso, esse método é utilizado nos sistemas de calibração automática para regular o fluxo. O computador acessa o conversor de frequência por meio do barramento RS-485, ajustando os parâmetros de frequência para que o conversor realize a mudança de frequência. Dessa forma, é possível alterar o fluxo de água bombeado pela bomba de frequência variável, alcançando assim o objetivo de regulação do fluxo. Para evitar a instabilidade do sistema devido à comunicação frequente e aos algoritmos de controle em circuito fechado complexos, os conversores de frequência, as bombas de frequência variável e os medidores padrão não formam um circuito fechado, mas sim um circuito aberto. Isso exige que realizemos testes com o conversor de frequência com antecedência, a fim de obter os parâmetros relacionados à frequência de conversão e a relação entre o fluxo instantâneo de água bombeada pela bomba e essa frequência. Com base nessa relação, o computador consegue controlar aproximadamente o valor desejado para o fluxo de água. Os valores de vazão nos locais de calibração não precisam ser exatos até um determinado valor; eles podem variar. Isso porque existe uma tabela padrão responsável por medir o valor de vazão no momento atual. As outras tabelas a serem calibradas utilizam o valor de vazão medido pela tabela padrão como ponto de referência para sua própria calibração. (2) Escolha dos métodos de calibração e das tabelas padrão. Os métodos comuns de calibração do fluxo de líquidos incluem o método do volume padrão e o método das tabelas padrão. O método de calibração por volume padrão oferece alta precisão, mas o tempo necessário para a calibração é muito longo. Geralmente, são necessários alguns minutos para calibrar um ponto de vazão. Além disso, os recipientes de medição padrão precisam ser substituídos constantemente, dependendo da faixa de vazão, o que é bastante incômodo. Por isso, esse método de calibração não é utilizado. O método de calibração com medidores padrão consiste no uso de medidores de vazão de alta precisão como instrumentos padrão para calibrar outros medidores que precisam ser ajustados. Esse método é mais simples, prático e econômico. Por isso, ele é utilizado como método de calibração nesse sistema. O princípio de seleção dos instrumentos padrão é o seguinte: o erro permitido pelo instrumento padrão deve ser menor que 1/3 a 1/5 do erro permitido pelo instrumento a ser calibrado. Dessa forma, o erro do instrumento padrão pode ser ignorado. A precisão exigida pelo medidor padrão é de 0,5 grau; portanto, foi escolhido um medidor de vazão por efeito de vórtice de alta precisão, com precisão de 0,1 grau, para substituir o medidor de rotores de vidro anterior. Esse medidor de alta precisão permite a medição em tempo real do fluxo instantâneo. No sistema de calibração, ele funciona como medidor padrão para calibrar os medidores de vazão por efeito de vórtice a serem calibrados. O computador pode acessá-lo por meio do barramento RS-485, a fim de obter o valor do fluxo instantâneo, completando assim a medição de vazão pelo medidor padrão. 3) Calibração simultânea de vários medidores: O número de medidores de vazão a serem calibrados simultaneamente é de 8. Esses 8 medidores de vazão do tipo “vortex street” serão conectados em série com os medidores padrão. A conexão dos tubos será feita em formato de “S”, todos paralelos ao chão. Esse formato em “S” serve para economizar espaço no sistema; caso contrário, se a conexão fosse feita em linha reta, seria necessário um espaço muito grande. Isso porque os trechos de tubo antes e depois dos medidores de vazão do tipo “vortex street” precisam ter um comprimento mínimo, para que funcionem corretamente. (4) Interação homem-máquina: A interface de interação homem-máquina permite a definição dos parâmetros de calibração do fluxo, bem como o início do processo de calibração. 5) Calibração do agendamento: A correção da não linearidade dos medidores de vazão de tipo vortex requer a calibração em 7 pontos. Em cada ponto de calibração, é necessário calibrar os 8 medidores de vazão de tipo vortex a serem calibrados, seguindo uma ordem específica.