Pós-PUCPR 2 – Medição de Pressão

MEDIÇÃO
DE
PRESSÃO
-0-
SUMÁRIO
1 - PRESSÃO
2
2.1 - MEDIÇÃO DE PRESSÃO
2
2.2 - PRESSÃO ATMOSFÉRICA
2
2.3 - PRESSÃO RELATIVA POSITIVA OU MANOMÉTRICA
2
2.4 - PRESSÃO ABSOLUTA
2
2.5 - PRESSÃO RELATIVA NEGATIVA OU VÁCUO
2
2.6 - DIAGRAMA COMPARATIVO DAS ESCALAS
3
2.7 - PRESSÃO DIFERENCIAL
3
2.8 - PRESSÃO ESTÁTICA
3
2.9 - PRESSÃO DINÂMICA
3
2.10 - PRESSÃO TOTAL
3
2.11- UNIDADES DE PRESSÃO
3
2.12 - DISPOSITIVOS PARA MEDIÇÃO DE PRESSÃO
4
2.12.1 - TUBO DE BOURDON
4
2.12.2 - MEMBRANA OU DIAFRAGMA
4
2.12.3 – FOLE
5
2.12.4 - COLUNA DE LÍQUIDO
5
2.12.5 – SENSOR TIPO P IEZOELÉTRICO
7
2.12.6 – SENSOR TIPO STRAIN GAUGE OU P IEZORESISTIVO
8
2.12.7 – SENSOR TIPO CAPACITIVO
10
2.12.8 - SENSOR PÔR SILÍCIO RESSONANTE
11
EXERCÍCIOS
16
TABELA DE CONVERSÕES - UNIDADES DE PRESSÃO
20
-1-
1 - PRESSÃO
2.1 - MEDIÇÃO DE PRESSÃO
Medição de pressão é o mais importante padrão de medida, pois as medidas de
vazão, nível, etc. podem ser feitas utilizando-se esse princípio.
Pressão é definida como uma força atuando em uma unidade de área.
P= F
A
onde: P = Pressão
F = Força
A = Área
2.2 - PRESSÃO ATMOSFÉRICA
É a pressão exercida pela atmosfera terrestre medida em um barômetro. Ao nível
do mar esta pressão é aproximadamente de 760 mmHg.
2.3 - PRESSÃO RELATIVA POSITIVA OU MANOMÉTRICA
É a pressão medida em relação à pressão atmosférica, tomada como unidade de
referência.
2.4 - 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/cm2 ABS
4 Kgf/cm2
Pressão Absoluta
Pressão Relativa
O fato de se omitir esta informação na indústria significa que a maior parte dos
instrumentos medem pressão relativa.
2.5 - PRESSÃO RELATIVA NEGATIVA OU VÁCUO
É quando um sistema tem pressão relativa menor que a pressão atmosférica.
-2-
2.6 - DIAGRAMA COMPARATIVO DAS ESCALAS
Pressão Absoluta
Pressão Manométrica
Pressão Atmosférica
Vácuo
Vácuo Absoluto
2.7 - PRESSÃO DIFERENCIAL
É a diferença entre 2 pressões, sendo representada pelo símbolo ∆P (delta P).
Essa diferença de pressão normalmente é utilizada para medir vazão, nível, pressão,
etc.
2.8 - PRESSÃO ESTÁTICA
É o peso exercido por uma coluna líquida em repouso ou que esteja fluindo
perpendicularmente a tomada de impulso.
2.9 - PRESSÃO DINÂMICA
É a pressão exercida pôr um fluído em movimento paralelo à sua corrente.
2.10 - PRESSÃO TOTAL
É a pressão resultante da somatória das pressões estáticas e dinâmicas
exercidas por um fluido que se encontra em movimento.
2.11- UNIDADES DE PRESSÃO
Como existem muitas unidades de Pressão é necessário saber a
correspondência entre elas, pois nem sempre na indústria temos instrumentos padrões
com todas as unidades e para isto é necessário saber fazer a conversão .
Exemplo:
10 psi = ______?______ Kgf/cm2
1 psi = 0,0703 Kgf/cm2
De acordo com a tabela
10 X 0,0703 = 0,703 Kgf/cm2
-3-
2.12 - 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 pôr transmissores e
controladores. Vamos então ao estudo de alguns tipos de elementos sensíveis.
2.12.1 - Tubo de Bourdon
Consiste geralmente de um tubo com seção oval, disposto na forma de
arco de circunferência tendo uma extremidade fechada, estando a 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 de 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
2.12.2 - 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.
-4-
O diagrama geralmente é ondulado ou corrugado para aumentar sua
área efetiva.
2.12.3 – 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.
2.12.4 - Coluna de Líquido
Consiste, basicamente, num tubo de vidro, contendo certa quantidade de
líquido, fixado a uma base com uma escala graduada.
As colunas podem ser basicamente de três tipos: coluna reta vertical,
reta inclinada e em forma de “U”.
Os líquidos mais utilizados nas colunas são: água (normalmente com
um corante ) e mercúrio.
Quando se aplica uma pressão na coluna o líquido é deslocado, sendo
que este deslocamento é proporcional a pressão aplicada.
-5-
Sendo a fórmula : P1 – P2 = h . dr
Manômetro de tubo em “U”
Manômetro de Coluna Reta Vertical
Manômetro de Coluna Reta Inclinada
-6-
Neste tipo de medidor a tensão superficial dos líqüidos é evidente, ou
seja, neste tipo de medidor devido a força de coesão e adesão entre as moléculas do
vidro do líqüido, aparece o que chamamos de menisco. Em tubos de pequenos
diâmetros a superfície do líqüido deverá ser uma curva. No caso de líqüidos 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.
2.12.5 – 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 sofrem 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 .
-7-
2.12.6 – Sensor tipo Strain Gauge ou Piezoresistivo
Baseia-se no princípio de variação da resistência de um fio, mudandose as suas dimensões.
Para variarmos a resistência de um condutor devemos analisar a
equação geral da resistência :
R=ρ .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 a 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 a 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 .
-8-
Da física tradicional sabemos que um material ao sofrer uma flexão ,
suas fibras internas serão submetidas à dois tipos de deformação : tração e
compressão .
As fibras mais externas sofrem um alongamento com a tração pois
pertencem ao perímetro de maior raio de curvatura , enquanto as fibras internas sofrem
uma redução de comprimento ( menor raio de curvatura ) .
Como o fio solidário à lâmina , também sofrerá o alongamento ,
acompanhando a superfície externa , variando a resistência total .
Visando aumentar a sensibilidade do sensor , usaremos um circuito
sensível a variação de resistência e uma configuração conforme esquema a seguir :
Notamos que a ligação ideal para um Strain Gauge com quatro tiras
extensiométricas é o circuito em ponte de Wheatstone , como mostrado a seguir , que
-9-
tem a vantagem adicional de compensar as variações de temperatura ambiente , pois
todos os elementos estão montados em um único bloco .
Transmissor de Pressão
2.12.7 – 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 a montagem , é a falta de linearidade entre
a capacitância e a distância das armaduras devido á deformação não linear , sendo
necessário portanto , uma compensação ( linearização ) à cargo do circuito eletrônico.
-10-
Célula Capacitiva
Transmissor de Pressão Diferencial
O sensor é formado pêlos 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 .
2.12.8 - Sensor tipo Silício Ressonante
-11-
O sensor consiste de uma cápsula de silício colocada estrategicamente
em um diafragma , utilizando do diferencial de pressão para vibrar em maior ou menor
intensidade, afim de que essa freqüência seja proporcional a pressão aplicada.
Na seqüência será exibido maiores detalhes sobre esse tipo de célula,
sua construção e seu funcionamento.
2.12.8.1 - Construção do sensor
Todo o conjunto pode ser visto através da figura anterior,
porém, para uma melhor compreensão de funcionamento deste transmissor de
pressão, faz-se necessário desmembrá-lo em algumas partes vitais.
Na figura a seguir podemos ver o conjunto do sensor. Ele
possui um imã permanente e o sensor de silício propriamente dito .
-12-
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 diferente, 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
-13-
diferença de freqüência será proporcional ao ∆P aplicado. Na figura a seguir é exibido o
circuito eletrônico equivalente.
Através dessas informações é possível criar um gráfico
referente aos pontos de operação da freqüência x pressão.
-14-
Transmissor de Pressão Diferencial
-15-
EXERCÍCIOS
1 -
Defina o que é pressão ?
2 -
Defina o que é pressão atmosférica ?
3 -
Defina o que é pressão relativa ?
4 -
Defina o que é pressão absoluta ?
5 -
Defina o que é vácuo ?
6 -
Defina o que é pressão diferencial ?
7 -
Defina o que é pressão estática ?
8 -
Defina o que é pressão dinâmica ?
9 -
Defina o que é pressão total ?
10 - Exercícios de conversão de unidades de pressão:
a) 20 psi
= ______________ kgf/cm2
b) 200 mmH20
= ______________ mmHg
c) 10 kgf/cm2
= ______________ mmH20
-16-
d) 735,5 mmHg
= ______________ psi
e) 14,22 psi
= _______________ mmH20
f) 2,5 kgf/cm2
= _______________ mmHg
g) 10 kgf/cm2
= _______________ 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/cm2
= ________________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/cm2 (Abs.)
= ____________________ mmHg
13 - Qual o instrumento mais simples para medir pressão?
-17-
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 – Como deve ser feita a leitura de pressão nas colunas líquidas quando aparece o
menisco ?
21 – Como é a resposta do sensor tipo piezoelétrico ?
22 - Defina o sensor tipo Strain Gauge.
23 - Defina o sensor tipo capacitivo.
-18-
24 – Defina o sensor de silício ressonante .
-19-
TABELA DE CONVERSÕES - UNIDADES DE PRESSÃO
psi
psi
1
kPa
Polegadas
H2 O
mmH 2O
Polegadas
Hg
mmHg
Bar
m Bar
kgf/cm2
gf/cm2
6,8947
27,7620
705,1500
2,0360
51,7150
0,0689
68,9470
0,0703
70,3070
kPa
Polegadas
H2 O
0,1450
1
4,0266
102,2742
0,2953
7,5007
0,0100
10,0000
0,0102
10,1972
0,0361
0,2483
1
25,4210
0,0734
1,8650
0,0025
2,4864
0,0025
2,5355
mmH 2O
Polegadas
Hg
0,0014
0,0098
0,0394
1
0,0028
0,0734
0,0001
0,0979
0,0001
0,0982
0,4912
3,3867
13,6200
345,9400
1
25,4000
0,0339
33,864
0,0345
34,532
mmHg
0,0193
0,1331
0,5362
13,6200
0,0394
1
0,0013
1,3332
0,0014
1,3595
Bar
14,5040
100,00
402,1800
10215,0000
29,5300
750,0600
1
1000
1,0197
1019,700
m Bar
0,0145
0,1000
0,402
10,2150
0,0295
0,7501
0,001
1
0,0010
1,0197
kgf/cm2
14,2230
97,9047
394,4100
10018,0
28,9590
735,560
0,9800
980,7000
1
1000
gf/cm2
0,0142
0,0970
0,3944
10,0180
0,0290
0,7356
0,0009
0,9807
0,001
1
Exemplo 1 mmHg = 0,5362 pol, H2O = 1,3332 m Bar
97 mmHg = 97(0,5362) = 52,0114 pol, H2O
(97 mmHg = 97(1,3332) =129,3204 m Bar
-20-