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CENTRO DE TREINAMENTO SMAR – Revisão 2.
MEDIÇÃO DE PRESSÃO
1 – INTRODUÇÃO
2 – CONCEITOS DE PRESSÃO
2.1 – Pressão Atmosférica 2.2 – Pressão Relativa Positiva ou Manométrica 2.3 – Pressão Absoluta 2.4 – Pressão Relativa Negativa ou Vácuo 2.5 – Diagrama comparativo da escalas 2.6 – Pressão Diferencial 2.7 – Pressão Estática 2.8 – Pressão Dinâmica 2.9 – Pressão Total 2.10 – Unidades de Pressão
3 – DISPOSITIVOS PARA MEDIÇÃO DE PRESSÃO
3.1 – Tubo de Bourdon 3.2 – Membrana ou Diafragma 3.3 – Fole 3.4 – Coluna de Líquido 3.5 – Sensor Piezoelétrico 3.6 – Sensor Strain Gauge (Célula de Carga) ou Piezoresistivo 3.7 – Sensor Capacitivo 3.8 – Sensor Silício Ressonante
4 – EXERCÍCIOS PROPOSTOS
5 – TABELA DE CONVERSÃO DE UNIDADES DE PRESSÃO
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1 – INTRODUÇÃO
Medição de pressão é o mais importante padrão de medida, pois as medidas de vazão, nível, etc. podem ser feitas utilizando-se esse princípio. Devido à natureza dos fluidos; como gases, vapores, fluidos limpos, viscosos, pastosos e corrosivos, empregam várias técnicas em sua medição, assim como vários conceitos de física e de hidrostática.
2 - CONCEITOS DE PRESSÃO
Pressão é definida como “uma força aplicada uniformemente sobre um superfície (área)”.
P = F onde: P = Pressão A F = Força A = Área
2.1 - PRESSÃO ATMOSFÉRICA
É a pressão exercida pela atmosfera terrestre medida em um barômetro. Ao nível do mar esta pressão é aproximadamente de 760 mmHg.
2.2 - PRESSÃO RELATIVA POSITIVA OU MANOMÉTRICA
É a pressão medida em relação à pressão atmosférica, tomada como unidade de referência.
2.3 - PRESSÃO ABSOLUTA
É a soma da pressão relativa e atmosférica, também se diz que é medida a partir do vácuo absoluto. Importante: Ao se exprimir um valor de pressão, determinar se a pressão é relativa ou absoluta.
Exemplo: 3 Kgf/cm 2 a Pressão Absoluta 4 Kgf/cm 2 g Pressão Relativa ou Manométrica ( Gauge)
O fato de se omitir esta informação na indústria significa que a maior parte dos instrumentos medem pressão relativa.
2.4 - PRESSÃO RELATIVA NEGATIVA OU VÁCUO
É quando um sistema tem pressão relativa menor que a pressão atmosférica.
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3 – DISPOSITIVOS PARA MEDIÇÃO DE PRESSÃO
O instrumento mais simples para se medir pressão é o manômetro, que pode ter vários elementos sensíveis e que podem ser utilizados também pelos transmissores e controladores. Vamos então ao estudo de alguns tipos de elementos sensíveis.
3.1 - Tubo Bourdon
Consiste geralmente de um tubo com seção oval, disposto na forma de arco de circunferência, tendo uma extremidade fechada, estando à outra aberta à pressão a ser medida. Com a pressão agindo em seu interior, o tubo tende a tomar uma seção circular resultando um movimento em sua extremidade fechada. Esse movimento através da engrenagem é transmitido a um ponteiro que vai indicar uma medida de pressão. Quanto à forma, o tubo Bourdon pode se apresentar nas seguintes formas: tipo C, espiral e helicoidal.
Tipos de Tubos “Bourdon”
a) Tipo C b) Tipo Espiral C) Tipo Helicoidal
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3.2 - Membrana ou Diafragma
É constituído pôr um disco de material elástico (metálico ou não), fixo pela borda. Uma haste fixa ao centro do disco está ligada a um mecanismo de indicação. Quando uma pressão é aplicada, a membrana se desloca e esse deslocamento é proporcional à pressão aplicada.
O diagrama geralmente é ondulado ou corrugado para aumentar sua área efetiva.
3.3 – Fole
O fole é também muito empregado na medição de pressão. Ele é basicamente um cilindro metálico, corrugado ou sanfonado. Quando uma pressão é aplicada no interior do fole, provoca sua distensão, e como ela tem que vencer a flexibilidade do material e a força de oposição da mola, o deslocamento é proporcional à pressão aplicada à parte interna.
3.4 - Coluna de Líquido
Consiste, basicamente, num tubo de vidro, contendo certa quantidade de líquido, fixado a uma base com uma escala graduada.
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Neste tipo de medidor a tensão superficial dos líquidos é evidente, ou seja, neste tipo de medidor devido à força de coesão e adesão entre as moléculas do vidro do líquido, aparece o que chamamos de menisco. Em tubos de pequenos diâmetros a superfície do líquido deverá ser uma curva. No caso de líquidos como a água e o álcool, a qual tem uma tensão superficial baixa, a superfície será côncava. No caso do mercúrio, a qual tem uma tensão superficial alta, o menisco será convexo. Para evitar o erro de paralaxe quando fizermos a leitura de pressão, esta deve ser feita na direção horizontal no ápice do menisco, como mostra a figura a seguir.
3.5 – Sensor tipo Piezoelétrico
Os elementos piezoelétricos são cristais, como o quartzo, a turmalina e o titanato que acumulam cargas elétricas em certas áreas da estrutura cristalina, quando sofre uma deformação física, pôr ação de uma pressão. São elementos pequenos e de construção robusta. Seu sinal de resposta é linear com a variação de pressão, são capazes de fornecer sinais de altíssimas freqüências de milhões de ciclos pôr segundo. O efeito piezoelétrico é um fenômeno reversível. Se for conectado a um potencial elétrico, resultará em uma correspondente alteração da forma cristalina. Este efeito é altamente estável e exato, pôr isso é utilizado em relógios de precisão. A carga devida à alteração da forma é gerada sem energia auxiliar, uma vez que o quartzo é um elemento transmissor ativo. Esta carga é conectada à entrada de um amplificador, sendo indicada ou convertida em um sinal de saída, para tratamento posterior.
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3.6 – Sensor tipo Strain Gauge ou Piezoresistivo
Baseia-se no princípio de variação da resistência de um fio, mudando-se as suas dimensões. Para variarmos a resistência de um condutor devemos analisar a equação geral da resistência:
R = (^) ρρρρ. L
S
Onde: R: Resistência do condutor ρ: Resistividade do material L: Comprimento do condutor S: Área da seção transversal
A equação nos explica que a resistência elétrica de um condutor é diretamente proporcional à resistividade e ao comprimento e inversamente proporcional a área da seção transversal. A maneira mais prática de alterarmos as dimensões de um condutor é tracionarmos o mesmo no sentido axial como mostrado a seguir:
Seguindo esta linha de raciocínio, concluímos que para um comprimento L obtivemos ∆ L , então para um comprimento 10 x L teríamos 10 x ∆ L, ou seja , quanto maior o comprimento do fio, maior será a variação da resistência obtida e maior a sensibilidade do sensor para uma mesma pressão (força) aplicada. O sensor consiste de um fio firmemente colado sobre uma lâmina de base, dobrando-se tão compacto quanto possível. Esta montagem denomina-se tira extensiométrica como vemos na figura a seguir:
Observa-se que o fio, apesar de solidamente ligado à lâmina de base, precisa estar eletricamente isolado da mesma. Uma das extremidades da lâmina é fixada em um ponto de apoio rígido enquanto a outra extremidade será o ponto de aplicação de força.
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Transmissor de Pressão
3.7 – Sensor tipo Capacitivo
A principal característica dos sensores capacitivos é a completa eliminação dos sistemas de alavancas na transferência da força / deslocamento entre o processo e o sensor. Este tipo de sensor resume-se na deformação, diretamente pelo processo de uma das armaduras do capacitor. Tal deformação altera o valor da capacitância total que é medida pôr um circuito eletrônico. Esta montagem, se pôr um lado, elimina os problemas mecânicos das partes móveis, expõe a célula capacitiva às rudes condições do processo, principalmente a temperatura do processo. Este inconveniente pode ser superado através de circuitos sensíveis a temperatura, montados juntos ao sensor. Outra característica inerente à montagem é a falta de linearidade entre a capacitância e a distância das armaduras devido á deformação não linear, portanto se faz necessário uma compensação (linearização) a cargo do circuito eletrônico.
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Célula Capacitiva
Transmissor de Pressão Diferencial
O sensor é formado pelos seguintes componentes:
- Armaduras fixas metalizadas sobre um isolante de vidro fundido
- Dielétrico formado pelo óleo de enchimento (silicone ou fluorube)
- Armadura móvel (Diafragma sensor)
Uma diferença de pressão entre as câmaras de alta (High) e de baixa (Low) produz uma força no diafragma isolador que é transmitida pelo líquido de enchimento. A força atinge a armadura flexível (diafragma sensor) provocando sua deformação, alterando, portanto o valor das capacitâncias formadas pelas armaduras fixas e a armadura móvel. Esta alteração é medida pelo circuito eletrônico que gera um sinal proporcional à variação de pressão aplicada à câmara da cápsula de pressão diferencial capacitiva.
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Dois fatores que irão influenciar na ressonância do sensor de silício são: o campo magnético gerado pôr um imã permanente posicionado sobre o sensor; o segundo será o campo elétrico gerado pôr uma corrente em AC (além das pressões exercidas sobre o sensor, obviamente). Este enfoque pode ser observado na figura abaixo.
Portanto, a combinação do fator campo magnético /campo elétrico é responsável pela vibração do sensor.Um dos sensores ficará localizado ao centro do diafragma (FC), enquanto que o outro terá a sua disposição física mais à borda do diafragma (FR).
Pôr estarem localizadas em locais diferentes, porém, no mesmo encapsulamento, uma sofrerá uma compressão e a outra sofrerá uma tração conforme a aplicação de pressão sentida pelo diafragma. Desta maneira, os sensores possuirão uma diferença de freqüência entre si. Esta diferença pode ser sentida pôr um circuito eletrônico, tal diferença de freqüência será proporcional ao ∆P aplicado. Na figura a seguir é exibido o circuito eletrônico equivalente.
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Através dessas informações é possível criar um gráfico referente aos pontos de operação
da freqüência x pressão.
Transmissor de Pressão Diferencial
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e) 14,22 psi = _______________ mmH 20
f) 2,5 kgf/cm 2 = _______________ mmHg
g) 10 kgf/cm 2 = _______________ mmHg
11 -Determine o valor das seguintes pressões na escala absoluta:
a) 1180 mmHg = ________________psia
b) 1250 kPa = ________________psia
c) 22 psig = ________________psia
d) - 450 mmHg = ________________psia
e) 1,5 kgf/cm 2 = ________________psia
f) - 700 mmHg = ________________psia
12 - Determine o valor das pressões na escala relativa em mmHg:
a) 1390 mmHg (Abs) = ____________________ mmHg
b) 28 psia = ____________________ mmHg
c) 32 mBar (Abs) = ____________________ mmHg
d) 12 psia = ____________________ mmHg
e) 0,9 kgf/cm 2 abs = ____________________ mmHg
13 - Qual o instrumento mais simples para medir pressão?
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14 - Defina o tubo de Bourdon.
15 - Cite 3 tipos de Bourdon.
16 - Como é constituído o diafragma?
17 - Como é constituído o fole?
18- Como funciona o fole?
19 - Cite 3 tipos de coluna líquida.
20 - Para a coluna a seguir determine:
a) P1 = 500 mmHg P2 =? kgf/cm2 dr = 1,0 h = 20 cm
b) P1 =? psi P2 = 15 “ H2O dr = 13,6 h = 150 mm
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Tabela de Conversão - Unidades de Pressão
psi
kPa
Polegadas H (^2) O
mmH
2 O
Polegadas
Hg
mmHg
Bar
m Bar
kgf/cm
(^2)
gf/cm
2
psi
kPa
Polegadas H (^2) O
mmH
2 O
Polegadas
Hg
mmHg
Bar
m Bar
kgf/cm
(^2)
gf/cm
(^2)
Exemplo: 1 mmHg = 0,5362 pol, H
(^2) O = 1,3332 m Bar
97 mmHg = 97(0,5362) = 52,0114 pol, H
2 O
(97 mmHg = 97(1,3332) =129,3204 m Bar
