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MEDIÇÃO DE PRESSÃO: TUDO O QUÊ VOCÊ
PRECISA CONHECER.
Eng o^ César Cassiolato [email protected] Smar Equipamentos Industriais
Medição de Pressão | Página 1 de 29
A pressão é a variável mais usada na indústria de controle de processos no seus
mais diversos segmentos e através da mesma, é facilmente possível inferir outras
variáveis de processo, tais como nível, volume, vazão e densidade. Comentaremos
ainda neste artigo a medição de pressão e sua história, as principais características
das tecnologias utilizadas em sensores de pressão, assim como alguns detalhes em
termos de instalações, do mercado e tendências com os transmissores de pressão.
A medição de pressão e um pouco de história
A medição de pressão é ponto de interesse da ciência há muitos anos.No final do século XVI, o italiano Galileo Galilei (1564-1642) recebeu patente por um sistema de bomba d’água usada na irrigação. O coração de sua bomba era um sistema de sucção que ele descobriu ter a capacidade de elevar a água no máximo 10 metros. A causa desse limite não foi descoberta por ele, o que motivou outros cientistas a estudarem esse fenômeno.
Em 1643, o físico italiano Evangelista Torricelli (1608-1647) desenvolveu o barômetro. Com esse aparelho, avaliava a pressão atmosférica, ou seja, o peso do ar sobre a superfície da terra. Ele fez uma experiência preenchendo um tudo de 1 metro com mercúrio, selado de um dos lados e mergulhado em uma cuba com mercúrio do outro. A coluna de mercúrio invariavelmente descia no tubo até cerca de 760 mm. Sem saber exatamente o porquê deste fenômeno, ele o atribuiu à uma força vinda da superfície terrestre. Torricelli concluiu também que o espaço deixado pelo mercúrio no começo do tudo não continha nada e o chamou de “vacuum” (vácuo).
Figura 1 - Barômetro
Cinco anos mais tarde, o francês Blaise Pascal usou o barômetro para mostrar que no alto das montanhas a pressão do ar era menor.
Galileo
Torricelli
Pascal
Em 1650, o físico alemão Otto Von Guericke desenvolveu a primeira bomba de ar eficiente.
Robert Boyle realizou experimentos sobre compressão e descompressão com a bomba de Otto Von Guericke.
Depois de 200 anos, o físico e químico francês, Joseph Louis Gay-Lussac, verificou que a pressão de um gás confinado a um volume constante é proporcional à sua temperatura.
Em 1849, Eugene Bourdon recebeu patente pelo Tubo de Bourdon, utilizado até hoje em medições gages. Em 1893, E.H. Amagat(1841-1915) utilizou o pistão de peso morto gage em medições de pressão. A lei de Amagat ou a Lei de Volumes Parciais é usada para descrever o comportamento e propriedades de misturas de gases não ideais.
Figura 2 - Tubo de Bourdon
A exatidão da caracterização de pressão só teve seu real valor a partir do momento em que conseguimos traduzi-la em valores mensuráveis. Um transdutor de pressão é um dispositivo que converte uma pressão medida(“sentida”) em um sinal mecânico ou elétrico. O Sensor é usualmente um elemento primário que é constituído por um elemento elástico que se deforma ou deflete sob pressão.Podemos citar, como elementos elásticos: o tubo de Bourdon, o fole e o diafragma. Um elemento transdutor secundário(comumente chamado de transdutor elétrico) vai converter esta deformação em um sinal mensurável. Os transdutores de pressão estão sujeitos a erros como: de resolução, de deslocamento de zero, de linearidade, de sensibilidade, de histerese, de temperatura. Os transdutores elétricos estão sujeitos a erro de carregamento entre a saída do transdutor e seu dispositivo indicador(linearidade). Nas últimas décadas, com o advento da tecnologia digital, uma enorme variedade de equipamentos se espalhou pelo mercado em diversas aplicações Resumidamente, todo sistema de medição de pressão é constituído pelo elemento primário, o qual estará em contato direto ou indireto ao processo onde se tem as mudanças de pressão e pelo elemento secundário(Transmissor de Pressão) que terá a tarefa de traduzir esta mudança em valores mensuráveis para uso em indicação, monitoração e controle.
Von Guericke
Boyle
Gay-Lussac
Eugene Bourdon
Figura 5 – A pressão é perpendicular à superfície e as forças aplicadas têm intensidades proporcionais às áreas respectivas.
Vejamos agora, a pressão exercida pelos fluídos em movimento na seção transversal de um tubo. Tomemos a figura 6, onde:
F1 = força aplicada à superfície A P1 = razão entre F1 e A1; Δ L 1 = distância que o fluido deslocou; v 1 = velocidade de deslocamento; h 1 = altura relativa à referência gravitacional
e F2 = força aplicada à superfície A P2 = razão entre F2 e A2; Δ L 2 = distância que o fluido deslocou; V 2 = velocidade de deslocamento; h 2 = altura relativa à referência gravitacional
Figura 6 - Equação de Bernoulli - Pressão exercida pelos fluídos em movimento na seção transversal de um tubo
Supondo um fluido ideal, que não possui viscosidade, ele desloca-se sem atritos e portanto sem perdas de energia. O trabalho realizado pela resultante das forças que atuam em um sistema é igual à variação da energia cinética, teorema trabalho-energia.Com isto, temos:
P 1 + (1/2) ρ ⋅ v 1
2
+ ρ ⋅ g ⋅ h1 = P 2 + (1/2)ρ ⋅ v 2
2
+ ρ ⋅ g ⋅ h
Esta é a equação de Bernoulli que comprova que o somatório das pressões ao longo de um tubo é sempre constante para um sistema ideal. O interessante aqui é que nesta equação pode-se reconhecer as seguintes pressões:
P 1 = Pressão Aplicada
(1/2) ρ. v 12 = Pressão Dinâmica
ρ. g. h (^) 1 = Pressão Estática
Rearranjando essa relação chegamos à equação:
V^2 P^1 P^2
O
Essa relação é muito útil para o cálculo da velocidade do fluído, dadas a pressão de impacto e a pressão estática. A partir dessa relação, pode-se calcular, por exemplo, a vazão do fluído:
(^212) Re 1
g P P
Q al ACB E
Onde C = vazão_real/ vazão_teórica
Os valores de C são resultados experimentais e para cada tipo de elemento deprimogênio e sistema de tomada de impulso, C varia em função do diâmetro (D) da tubulação, do N° de Reynolds (Rd)
e da relação dos diâmetros referentes a seção A1 e A2 ( 1
2
A
A
C = f(D,Rd,β)
Unidades de pressão no Sistema Internacional (SI)
O Pascal [Pa] é a unidade de pressão do Sistema Internacional de unidades(SI). Um Pa é a pressão gerada pela força de 1 Newton agindo sobre uma superfície de 1 metro quadrado Æ Pa = N/m^2. A tabela 1 mostra as principais unidades e a conversão entre as mesmas:
inH 2 O @20 o^ C atm^ bar^ kPa^ kgf/cm
2 mmH 2 O @20 o^ C
mmHg @0 o^ C
inHg @32 o^ F psi inH 2 O @20 o^ C^1 0,0025^ 0,00249^ 0,24864^ 0,00254^ 25,4000^ 1,86497^ 0,07342^ 0,
atm 407,513 1 1,01325 101,325 1,03323 10350,8 759,999 29,9213 14,
bar 402,185 0,98692 1 100,000 1,01972 10215,5 750,062 29,5300 14,
kPa 4,02185 0,00987 0,01000 1 0,01020 102,155 7,50062 0,29530 0,
kgf/cm^2 394,407 0,96784 0,98066 98,0662 1 10017,9 735,558 28,9590 14,
Os Sensores mais utilizados na medição pressão
Oss sensores são classificados conforme a técnica usada na conversão mecânica da pressão(deslocamento de um diafragma, por exemplo) em um sinal eletrônico proporcional. O método mais comum para a conversão do deslocamento do diafragma em um sinal mensurável é capturar a deformação elástica induzida sobre a superfície do diafragma à medida que ele é deslocado. Todas as tecnologias tem um só propósito que é transformar a pressão aplicada em um sensor, em um sinal eletrônico proporcional a mesma: Capacitância Variável (Capacitivos) Piezo-resistivo(Strain Gage) Potenciométrico Piezo-elétrico Relutância Variável Ressonante Ótico Outros
Vejamos alguns destes sensores e princípios brevemente.
1) Piezo-resistivo ou Strain Gage A piezo-resistividade refere-se à mudança da resistência elétrica com a deformação/contração como resultado da pressão aplicada. Na sua grande maioria são formados por elementos cristalinos (strain gage) interligados em ponte(Wheatstone) com outros resistores que provém o ajuste de zero, sensibilidade e compensação de temperatura. O material de construção varia de fabricante para fabricante e hoje em dia é comum sensores de estado sólido.Desvantagens: faixa limitante de temperatura de operação, aplicável em ranges baixos de pressão por gerarem um sinal muito baixo de excitação, muito instável. Atualmente existe o chamado “Film transducer” o qual é construído com a deposição de vapor ou injeção de elementos strain gage diretamente em um diafragma, o que minimiza a instabilidade devida ao uso de adesivos nas ligas nos modelos “Bonded Wire”. A grande vantagem é que já produz um sinal eletrônico num nível maior, porém em altas temperaturas são totalmente vulneráveis, já que a temperatura afeta o material adesivo utilizado ao colar o silício ao diafragma. Várias técnicas baseadas na fabricação de sensores de silício piezo-resistivo(silicon substrate) estão emergindo, mas são susceptíveis a degradação de seus sinais em função da temperatura e exigem circuitos complicados para a compensação, minimização do erro e sensibilidade do zero.Totalmente inviáveis em aplicações sujeitas a temperatura altas por longo períodos, uma vez que a difusão degrada os substratos em altas temperaturas.
Figura 8 – Sensor Piezo-Resisitivo
2) Piezo-elétrico O material piezo-elétrico é um cristal que produz uma tensão diferencial proporcional a pressão a ele aplicada em suas faces: quartzo, sal de Rochelle, titânio de bário, turmalina etc.Este material acumula cargas elétricas em certas áreas de sua estrutura cristalina, quando sofrem uma deformação física, por ação de uma pressão. A piezo-eletricidade foi descoberta por Pierre e Jacques Curie em 1880. Tem a desvantagem de requerer um circuito de alta impedância e um amplificador de alto ganho, sendo susceptível a ruídos.Além disso, devido à natureza dinâmica, não permite a medição de pressão em estado sólido.Porém, tem a vantagem de rápida resposta. A relação entre a carga elétrica e a pressão aplicada ao cristal é praticamente linear: q = Sq x Ap p - pressão aplicada, A - área do eletrodo, Sq - sensibilidade, q - carga elétrica, C - capacidade do cristal, Vo - tensão de saída
Figura 9 – Sensor Piezo-Elétrico
3) Ressoantes Possuem em geral o princípio da tecnologia que é conhecida como “vibrating wire”. Uma mola de fio magnético é atachada ao diafragma que ao ser submetido a um campo magnético e ser percorrido por uma corrente elétrica entra em oscilação.A freqüência de oscilação é proporcional ao quadrado da tensão (expansão/compressão) do fio. No sensor Silício Ressonante, não se usa fio e sim o silício para
ressonar com diferentes freqüências que são funções da expansão/compressão(é uma função do tipo 1/f^2 ). O sensor é formado por uma cápsula de silício colocada em um diafragma que vibra ao se aplicar um diferencial de pressão, e a freqüência de vibração depende da pressão aplicada.
Figura 10 – Sensor Ressonante
Onde de acordo com a figura 11c:
P (^) 1(P (^) H )e P (^) 2(P (^) L ) são pressões aplicadas nas câmaras H e L.
CH = capacitância medida entre a placa fixa do lado de P 1 e o diafragma sensor.
CL = capacitância medida entre a placa fixa do lado de P 2 e o diafragma sensor.
d = distância entre as placas fixas de CH e CL.
Δd = deflexão sofrida pelo diafragma sensor devido à aplicação da pressão diferencial DP = P 1 - P 2.
Sabe-se que a capacitância de um capacitor de placas planas e paralelas pode ser expressa em função da área (A) das placas e da distância (d) que as separa como:
Onde, ∈ = constante dielétrica do meio existente entre as placas do capacitor.
Se considerar CH e CL como capacitâncias de placas planas de mesma área e paralelas, quando P 1
P 2 tem-se:
Por outro lado, se a pressão diferencial (ΔP) aplicada à célula capacitiva, não defletir o diafragma sensor além de d/4, podemos admitir ΔP proporcional a Δd, ou seja:
ΔP ∝ Δd
Se desenvolvermos a expressão (CL-CH) / (CL+CH), obteremos:
como a distância (d) entre as placas fixas de CH e CL é constante, percebe-se que a expressão (CL-CH) / (CL+CH) é proporcional a Δd e, portanto, à pressão diferencial que se deseja medir. Assim, conclui-se que a célula capacitiva é um sensor de pressão constituído por dois capacitores de capacitâncias variáveis, conforme a pressão diferencial aplicada. Estes capacitores fazem parte de um circuito oscilador que tem sua freqüência dependente da pressão diferencial aplicada. Esta freqüência é medida pela CPU do transmissor de pressão em alta resolução, alta exatidão e velocidade de processamento.
d
A
C
d d
A
e CL
d d
A
CH
d
d CL CH
CL CH
P
Figura 11c - Aplicações do sensor industrial capacitivo
Equipamentos industriais para medição de pressão
Na indústria, dentre os diversos equipamentos usados para medir pressão podemos destacar dois deles: o manômetro e o transmissor de pressão. O manômetro é usado para leituras locais da pressão, possuindo normalmente uma conexão com o processo e um display(quando eletrônico) ou ponteiro (quando mecânico) para que se possa ler a pressão localmente. Normalmente são dispositivos de baixo custo e são usados quando a pressão não precisa ser transmitida para um sistema de controle e não se precisa exatidão. Por exemplo, pressões estáticas, pressões de bomba, etc. Existem também modelos diferenciais, vacuômetrros, sanitários, etc.
Figura 13 - Exemplos de manômetro
Um transmissor de pressão inteligente combina a tecnologia do sensor mais sua eletrônica. Tipicamente, deve prover as seguintes características: Sinal digital de saída ; Interface de comunicação digital(HART/4-20mA, Foundation Fieldbus, Profibus-PA) ; Compensação de pressão ; Compensação de temperatura ; Estabilidade; Deve permitir fácil e amigável calibração ; Re-range com e sem referência ; Recursividade; Auto Diagnósticos ; Fácil instalação e calibração; Alta confiabilidade; Baixos custos de instalação e manutenção; Curtos tempos de instalação e manutenção; Redução na intrusão/penetração(processo); Economizar espaços na instalação; Permitir upgrades para a tecnologia Foundation Fieldbus e Profibus PA. Recursos de interface EDDL e FDT/DTMs. Protetor de transiente, Sem polaridade de alimentação, Trava física para transferência de custódia, Etc.
Alguns pontos que os usuários devem estar atentos para que não paguem a mais por algo que não vão usar ou que sua aplicação não exija: Exatidão & Rangeabilidade: se é necessário equipamentos com tais requisitos, analise as fórmulas de exatidão e veja que às vezes a exatidão não é a anunciada em toda a faixa. Veja outras características também como tempo de resposta, Totalização, bloco PID, etc…elas podem ser mais úteis nas aplicações. Proteção ao investimento: analise o preço de sobressalentes, intercambialidade entre modelos, simplicidade de especificação, atualização para outras tecnologias(Fieldbus Foundation, Profibus PA), prestação de serviços, suporte técnico, prazo de reposição, etc. São fatores que podem fazer com que a disponibilidade da planta possa ficar comprometida.
Figura 14 – LD400- Transmissor de Pressão HART/4-20mA com sensor capacitivo, placa eletrônica única.
Os transmissores de pressão microprocessados possuem a grande vantagem de permitirem uma melhor interação com o usuário, com interfaces amigáveis.Além disso, possuem características de auto- diagnose que facilitam a identificação de problemas.Com o advento das redes fieldbuses, pode-se agora extrair ao máximo os benefícios da tecnologia digital.Estes transmissores possuem melhor exatidão, uma estabilidade eletrônica superior aos modelos analógicos, além de facilitarem ajustes e calibrações.A tecnologia digital também permite que poderosos algorítimos possam ser implementados a favor da melhoria de performance e exatidão da medição e a monitoração online da vida do equipamento.
Exemplo de aplicações típicas com transmissor de pressão
A seguir vem exemplos típicos de aplicação com transmissor de pressão. Para mais detalhes sobre cada aplicação consulte a literatura disponível em www.smar.com.br. Vale a pena lembrar que a correta instalação garante o melhor aproveitamento dos equipamentos em termos de performance.
Medição de nível de líquidos
Figura 15 - Medição de nível em tanque aberto
Figura 18 - Medição de vazão usando placa de orifício
Medição de densidade
Figura 19 - Medição de densidade
Medição de volume e massa
Figura 20 - Medição de volume
Figura 21 - Medição de massa
Dicas de instalação
Vejamos na figura 23 algumas dicas de instalação quando para se trabalhar com líquidos (a e b), gases (c e d) e vapores (e). Lembre-se que uma boa instalação de acordo com a aplicação é fundamental para se otimizar os benefícios de performance em qualquer equipamento de campo.
a. Instalação mais usual para líquidos b. Instalação menos usual para líquidos
c. Instalação típica para gases d. Instalação típica para gases com condensado
e. Instalação típica para vapores
Figura 23 - Dicas de instalação para várias aplicações com transmissores
Acessórios na medição de pressão
Pela ampla gama de aplicações possíveis, há a necessidade de dispor de alguns acessórios no uso dos transmissores de pressão. Os mais comuns são os manifolds e os selos remotos, como podemos ver na figura 24 a seguir. Os selos remotos têm a função de transmitir a pressão de um ponto distante do sensor ou mesmo garantir condições adequadas à medição no que se refere à temperatura de processo. Os manifolds são pequenas válvulas usadas para facilitar nas operações de manuseio dos equipamentos, calibração e manutenção em geral.
Figura 24 - Acessórios para várias aplicações com transmissores
O mercado mundial de transmissores de pressão
Hoje nos processos e controles industriais, somos testemunhas dos avanços tecnológicos com o advento dos microprocessadores e componentes eletrônicos, da tecnologia Fieldbus, o uso da Internet, etc., tudo facilitando as operações, garantindo otimização e performance dos processos e segurança operacional.Este avanço permite hoje que transmissores de pressão, assim como os de outras variáveis, possam ser projetados para garantir alto desempenho em medições que até então utilizam somente a tecnologia analógica.Os transmissores usados até então(analógicos) eram projetados com componentes discretos, susceptíveis a drifits devido à temperatura, condições ambientais e de processo, com ajustes constantes através de potenciômetros e chaves. Com o advento da tecnologia digital, a simplicidade de uso também foi algo que se ganhou. Os transmissores de pressão são amplamente utilizados nos processos e aplicações com inúmeras funcionalidades e recursos.Como podemos ver na figura 25, a grande maioria dos processos industrias envolvem medições de pressão, lembrando ainda, que pressão é uma grandeza básica para a medição e controle de vazão, nível e densidade, etc. Segundo a ARC – Advisory Group, o mercado mundial de transmissores de pressão em 2006 foi de U$1.8 bilhões e tem como previsã ultrapassar U$2.3 bilhões até
- Este crescimento se dará principalmente devido ao crescimento asiático e pela natrueza da atualização de equipamentos antigos e ultrapassados no mercado de forma geral. Ainda vale citar os transmissores para aplicações SIS, Sistema Instrumentado de Segurança, assim como os transmissores wireless que começam a ser utitlizados em algumas aplicações. A Smar está finalizando o desenvolvimento do seu transmissor de pressão SIS e ainda seu transmissor de pressão Wireless e em breve os disponibilizará ao mercado.
