Medição de Pressão

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MEDIDORES DE PRESSÃO
Aline Kênia Oliveira
Anny Maria Silva
Deiverson Alisson Rodrigues
Fabíola Soares Nascimento
George Paulo Lacerda Sobrinho
Mateus Vínicius da Silva
RESUMO
Pressão é definida como uma força atuando em uma unidade de área e também um dos mais
importantes padrões de medida, pois através da medição de pressão é possível medir vazão,
nível dentre outros. Medição e controle de pressão é a variável de processo mais usada no
controle de processos dentro das indústrias e nos seus mais diversos segmentos. Outras
variáveis de processo como nível, volume, vazão e densidade são facilmente inferidas através
da pressão.
Palavras – chave: Medição, pressão, controle.
ABSTRACT
Pressureis
defined
as
aforce
actingon
aunit
areaandalso
one
of
themost
importantmeasurement standards, because throughpressuremeasurement ispossible to
measureflow,leveland others.Measurement andcontrol isthe process variablemost usedin
process controlwithin theindustryand itsvarious segments. Otherprocess variablessuch
as
level,volume,
flow
rate
anddensity
Key - words: Measurement, Pressure, Control.
areeasily
inferredbypressure.
2
1. INTRODUÇÃO
A medição de pressão é um ponto importante desde o século XIV. O italiano Galileu
Galilei (1.564-1.642) recebeu patente por um sistema de bomba d’água usada na irrigação –
em 1.592, usando apenas um tubo de ensaio e uma bacia com água, Galileu montou o
primeiro termômetro. Ele colocou um tubo com a boca para baixo, semi-submerso na água.
Assim, quando o ar de dentro do tubo esfriava, o volume diminuía e subia um pouco de água
dentro do cilindro de vidro. Quando o ar esquentava, o volume aumentava e a água era
empurrada para fora. O nível da água, portanto, media a temperatura do ar -. O coração da 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 1.643, o físico italiano Evangelista Torricelli (1.608-1.647) desenvolveu o
barômetro. Com esse aparelho, avaliava a pressão atmosférica, ou seja, a força do ar sobre a
superfície da terra. Ele fez uma experiência preenchendo um tubo 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 do tubo até a cerca de 760 mm. Sem saber exatamente deste
fenômeno, ele atribui a uma força vinda da superfície terrestre. Torricelli conclui também que
o espaço deixado pelo mercúrio no começo do tudo não continha nada e o chamou de
“vaccum” (vácuo).O físico concluiu então essa experiência dizendo que o que mantinha a
coluna de mercúrio nesta altura era a pressão atmosférica.
A coluna de 76 cm só é obtida no nível do mar, pois quando a altitude varia a pressão
atmosférica também varia como citado anteriormente.
Com essa experiência defini-se que ao nível do mar 1atm (uma atmosfera) é a pressão
equivalente a exercida por uma coluna de 76cm de mercúrio, onde g = 9,8 m/s², portanto:
1atm = 76 cmHg = 760 mmHg = 1,01.105 Pa
2. PRESSÃO
Pressãoé uma grandeza quantificada através da razão entre a força (F) e a área (A) da
superfície (objeto ou espaço, seja ele líquido, gasoso ou sólido), onde a força é aplicada.
Podendo também indicar a força exercida sobre alguma coisa, além de também possuir o
significado de comprimir um objeto ou um gás, ou ainda pressionar algo ou alguém.
3
O vetor força muda conforme a orientação do plano onde é aplicado, porém o valor
da pressão permanece o mesmo, ou seja, é independente de direção. O vetor força que
caracteriza a pressão pode ser relacionado ao vetor da força normal, uma vez que ambos são
perpendiculares à superfície.
É possível também medir a pressão através de instrumentos como:

Barômetro (pressão atmosférica);

Manômetro (pressão de fluídos em recipientes fechados);

Piezômetro (pressão e monitoração de níveis em aquíferos);

Vacuômetro (como o barômetro, mas para medir pressões baixas, próximas do
vácuo).
A pressão média é igual ao quociente da resultante das forças perpendiculares à superfície
de aplicação e a área desta superfície.
Figura 1 – Fórmula Pressão
Fonte: http://aenfermagem.com.br/wp-content/uploads/2013/03/formula.jpg
Sendo:
p= Pressão (Pa)
F=Força (N)
A=Área (m²)
A unidade de pressão no Sistema Internacional de Unidades - SI é o Pascal (Pa), em
homenagem a Blaise Pascal, que é o nome adotado para N/m².
1 N/m2 = 1 pascal = 1Pa
Abaixo apresenta outras unidades de pressão e suas relações com a unidade do SI :

1dyn/cm2 (bária) = 0,1 Pa

1 kgf/cm2 = 1 Pa

1atm = 1,1013x105Pa

1lb/pol2 = 6,9x103Pa
4
3. PRESSÃO ATMOSFÉRICA
A pressão exercida pela camada de moléculas de ar sobre a superfície é denominada
pressão atmosférica, a força exercida pelo ar aumenta em um determinado ponto,
consequentemente a pressão também aumentará. A pressão pode variar de acordo com a
altitude, ou seja, quanto maior a altitude menor a pressão e, consequentemente, quanto menor
a altitude maior a pressão exercida pelo ar da superfície terrestre.O equipamento utilizado na
medição de pressão é denominado barômetro.
4. PRESSÃO RELATIVA POSITIVA OU MANOMÉTRICA
A medição da pressão em relação à pressão atmosférica existente no local é conhecida
como pressão manométrica, representada pela letra G e pode ser positiva ou negativa.
A pressão negativa é determinada pressão de vácuo, indicando níveis de pressão
inferiores à pressão de referência.Já a pressão relativa positiva é quando a pressão interna de
um reservatório for maior do que a pressão atmosférica local.
A pressão indicada nos manômetros é uma pressão relativa, exemplos de pressão
manométrica é o calibrador de pressão dos pneus de automóvel e o esfigmomanômetro
(medidor de pressão arterial) que mede a pressão manométrica do sangue.
5. PRESSÃO RELATIVA NEGATIVA OU VÁCUO
Pressão relativa negativa ocorre quando a pressão interna de um reservatório for
menor do que a pressão atmosférica externa, como já citado acima indicando níveis de
pressão inferiores à pressão de referência.
6. DIAGRAMA COMPARATIVO DAS ESCALAS
- Pressão Relativa
(ou P. Efetiva ou Pressão)
- Pressão Absoluta
(ou Zero Absoluto ou Vácuo Perfeito)
Pabs = Prel + Patm
5
Figura 2– Diagrama comparativo das escalas de pressão
Fonte: Viana (1999)
7. PRESSÃO DIFERENCIAL
È utilizada para medir vazão, nível e pressão, representada pelo símbolo P (delta P).
Sendo a diferença entre duas pressões.
8. PRESSÃO ESTÁTICA
A pressão transmitida pelo fluido nas paredes da tubulação ou do vaso é denominada
pressão estática. Caracteriza-se pelo peso exercido por uma coluna líquida em repouso ou que
esteja fluindo perpendicularmente a tomada de impulso.
9. PRESSÃO DINÂMICA
É a pressão proveniente da velocidade do fluido na tubulação, exercida por fluido em
movimento ou tomada de impulso no sentido do impacto do fluxo (paralelo a sua corrente).
6
10. PRESSÃO TOTAL
A resultante da somatória das pressões estáticas e dinâmicas exercidas por um fluido
que se encontra em movimento caracteriza a pressão total.
Para isto é necessário fazer a conversão, devido às várias unidades de pressão
existentes.
Sabe-se que 1psi = 0,0703 Kgf/cm², então um exemplo:
10 psi = _?_Kgf/cm² 10 X 0,0703 = 0,703 Kgf/cm²
11. UNIDADES DE PRESSÃO
A unidade de medida do Sistema Internacional - SI de pressão é o N/m2. A ela deram o
nome de pascal (Pa) em homenagem a Blaise Pascal (1623-1662), um matemático e cientista
francês: 1 Pa = 1N/m2, ou seja, 1 Pa é a pressão gerada pela força 1 Newton agindo sobre uma
superfície de 1 metro quadrado. Outra unidade relacionada, usada algumas vezes para
expressar pressão, é o bar, que é igual a 105 Pa. A pressão atmosférica no nível do mar é
aproximadamente 100 kPa ou 1 bar. A pressão atmosférica real em qualquer local depende
das condições do tempo e da altitude.
No início do século XVII, acreditava-se que a atmosfera não tinha peso. Evangelista
Torricelli (1608-1647), que foi discípulo de Galileu, inventou o barômetro para mostrar que a
atmosfera tinha peso. Assim, a pressão atmosférica padrão define algumas unidades comuns,
que não são do SI, usadas para expressar as pressões de gases, como a atmosfera (atm) e o
milímetro de mercúrio (mmHg). A última unidade é também chamada torr, em homenagem a
Torricelli.
12. DISPOSITIVOS PARA MEDIÇÃO DE PRESSÃO
Os dispositivos de medição de pressão são importantes para garantir a qualidade do
produto e a segurança dos trabalhadores que estão envolvidos na área de produção. O avanço
tecnológico é um fato que proporcionou a criação de novos instrumentos/dispositivos que
podem garantir melhor precisão nas medições, assim gerando um índice menor de
desperdício, e consequente aumento da qualidade dos produtos.
7
Existem diversos tipos de manômetros que medem diferentes pressões determinadas,
cada um com suas características tanto internas como externas, medindo pressões altas ou
baixas.Os calibradores de pneus, por exemplo, medem a pressão do ar nos pneus de
automóveis e bicicletas. Nos laboratórios usamos, algumas vezes, um dispositivo chamado
manômetro. Um manômetro opera baseado em um princípio similar ao barômetro.
A tabela abaixo mostra as principais unidades e a conversão entre as mesmas:
inH2
atm
bar
KPa
O
kgf/cm
mmH2
mmH
inHg
2
O
g
@32o
@20oC
@0oC
F
@20o
psi
C
inH2O
1
0,0025
@20oC
Atm
407,51
1
3
0,0024
0,2486
0,0025
9
4
4
1,0132
101,32
1,0332
5
5
3
1
100,00
1,0197
0
2
1
0,0102
402,18
0,9869
5
2
4,0218
0,0098
0,0100
5
7
0
kgf/cm
394,40
0,9678
0,9806
98,066
2
7
4
6
2
mmH2
0,0393
0,0001
0,0001
0,0097
0,0001
O
7
0
0
9
0
mmHg
0,5362
0,0013
0,0013
0,1333
0,0013
@0oC
0
2
3
2
6
inHg
13,619
0,0334
0,0338
3,3863
0,0345
@ 32oF
5
2
6
8
3
Psi
27,729
0,0680
0,0689
6,8947
0,0703
6
5
5
5
1
Bar
kPa
25,4000 1,8649
0,0360
2
6
29,921
14,695
3
9
29,530
14,503
0
8
0,2953
0,1450
0
4
28,959
14,223
8
0
3
0,0734
0,0028
0,0014
2
9
2
1
0,0393
0,0193
7
4
1
0,4911
7
10350,8 759,99
9
10215,5 750,06
2
102,155 7,5006
0
1
0,0734
2
10017,9 735,55
1
@20oC
Tabela 1– Tabela de conversão das unidades de pressão
Fonte: Viana (1999)
13,6195
345,935 25,400
0
704,333 51,714
9
5
2,0360
2
1
8
13. O TUBO DE BOURDON
Os manômetros com tubo de Bourdon é um medidor de pressão. A medição da pressão
assume grande importância na indústria sendo o manômetro de Bourdon uma das soluções
mais frequentemente utilizadas.
O funcionamento deste tipo de manômetros é baseado na alteração da curvatura
originada num tubo de secção elíptica pela pressão exercida no seu interior. A secção elíptica
tende para uma secção circular com o aumento da pressão no interior do tubo levando a que o
tubo se desenrole. Este tubo tem a uma das extremidades fechadas e ligada a um mecanismo
(com rodas dentadas e mecanismos de alavanca) que permite transformar o seu movimento de
"desenrolar" (originado pelo aumento de pressão no interior do tubo) no movimento do
ponteiro do manômetro. A medida da pressão é relativa uma vez que o exterior do tubo está
sujeito à pressão atmosférica.
Figura 3 – Manômetro tipo Bourdon
Fonte: http://www.wika.com.br/landingpage_bourdon_tube_pressure_gauge_pt_br.WIKA
14. DIAFRAGMA OU MEMBRANA
As válvulas diafragma (ou válvulas de membrana) possui um corpo de válvula com
duas ou mais portas, um diafragma e uma "sela" ou assento em que o diafragma fecha a
válvula. A válvula é construída a partir de plástico ou aço.
As válvulas diafragma podem ser manuais ou automatizadas. Suas aplicações
geralmente são como válvulas de corte em sistemas de processo de alimentos, bebidas,
farmacêuticos e biotecnológicos.
9
A geração mais antiga destas válvulas não é adequada para regular e controlar os
fluxos de processo, porém novos desenvolvimentos nesta área têm enfrentado com sucesso
esse problema.
Figura 4 – Princípio de funcionamento de uma bomba de diafragma
Fonte:https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/04/Bomba_diafragma.jpg/3
00px-Bomba_diafragma.jpg
Figura 5 – Bomba de diafragma aspirando
Fonte:https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/e1/Bomba_diafragma_aspir
ando.jpg/200px-Bomba_diafragma_aspirando.jpg
Figura 6 – Bomba de diafragma impulsionando
Fonte:https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/29/Bomba_diafragma_impulsando.
jpg
O processo da bomba de diafragma, é um tipo de bomba de deslocamento positivo,
geralmente alternativo, na que o aumento de pressão se realiza pelo empurrar de uma parede
elástica — membrana ou diafragma — que variam ovolume da câmara, aumentando-lhe e
diminuindo-lhe alternativamente. Umas dessas válvulas de retenção, normalmente de bolas
de elastômero, controlam que o movimento do fluido se realize da zona de menor pressão
para a de maior pressão.
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15. SENSOR POR SILÍCIO RESSONANTE ABSOLUTA
O sensor é constituído por uma cápsula de silício colocada taticamente em um
diafragma,sendo utilizada do diferencial de pressão para vibrar em maior ou menor
intensidade, afim de que essa frequência seja proporcional a pressão aplicada.
Figura 7 –Sensores de Silício ressonante
Fonte:http://image.slidesharecdn.com/eja-140421141700-phpapp01/95/eja-16638.jpg?cb=1398089891
A ressonância do sensor de silício é influenciada pelos seguintes fatores:

Pressões exercidas sobre o sensor;

O campo magnético gerado por um imã permanente posicionado sobre o sensor;

O campo elétrico gerado por uma corrente alternada.
A combinação do fator campo magnético/campo elétrico é responsável pela vibração do
sensor.
Figura 8– Influências na ressonância do sensor de silício
Fonte:http://s3.amazonaws.com/magoo/ABAAAAjmIAI-20.jp
11
No sensor Silício Ressonante, usa-se o silício para ressonar com diferentes frequências
que são funções da expansão/compressão. Ao centro do diafragma (FC) ficará localizado um
dos sensores,o outro terá a sua disposição físicamais à borda do diafragma (FR).Um sensor
sofrerá uma compressão e o outro sofrerá uma tração conforme a aplicação de pressão sentida
pelo diafragma, por estarem localizadas em locais diferentes, porém no mesmo
encapsulamento. Sendo assim, pode ser sentida por um circuito eletrônicos sensores que
possuirão uma diferença de frequência entre si. Essa diferençade frequência será proporcional
aoP aplicado.
16. SENSOR PIEZOELÉTRICO
Figura 9– Sensor Pezoelétrico
Fonte: SchemaPiezo.gif (256 × 256 pixels, tamanho: 108 kB, tipo MIME: image/gif, cíclico,
25 quadros)
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.
Piezoeletricidade é a capacidade de alguns cristais gerarem tensão elétrica por resposta
a uma pressão mecânica. O termo piezoeletricidade provém do grego (piezein), que significa,
apertar/pressionar. Referente a geração de corrente elétrica, juntou-se a designação
eletricidade, de modo que piezoeletricidade é interpretado como a produção de energia
elétrica devido a compressão sobre determinados materiais.
Assim como a geração de uma tensão por uma deformação mecânica é possível, o
efeito reverso também pode acontecer, com a ocorrência de uma deformação mecânica em
12
função da aplicação de tensão elétrica. As aplicações dos materiais com propriedades
piezoelétricas são variadas, indo desde sensores para estacionamento, passando por telas
touche screnn de dispositivos móveis, até transdutores ultrassonicos empregados em sistemas
de radar e sonar, além de novas aplicações que vem sendo desenvolvidas com a utilização de
nanotecnologia e a busca por formas sustentáveis de se aproveitar e maximizar a energia que
pode ser gerada pelos piezoelétricos.
Apesar de poucos materiais piezoelétricos conhecidos, principalmente na área de
materiais metálicos (Ligas), pode-se perceber a grande importância e a diversa aplicabilidade
destes materiais. Sem falar que o estudo dos materiais piezoelétricos está ligado diretamente
às inovações tecnológicas de grande valor, melhorando a exploração e o conhecimento de
informações dos quais sem o mesmo não seria possível detectar. Pode-se, encontrar materiais
piezoelétricos na indústria automobilística, aeronáutica, naval, de eletro-eletrônicos, médica
etc.
17. SENSOR TIPO STRAIN GAUGE OU PIEZORESISTIVO
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
13
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 10– Sensor Piezo-Resisitivo.
Fonte:http://www.profibus.org.br/images/arquivo/pdf-1-543ebf8b1e0a2.pdf
18. FOLE
O fole também pode ser muito utilizado 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.
19. COLUNAS 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.
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20. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Nos processos industriais é necessário medir-se a pressão possibilitando a monitoração
e controle da mesma. O tipo de instrumento a ser utilizado para a medição de pressão depende
dos níveis de precisão e detalhamento requeridos para a particular aplicação, sendo assim a
medição da pressão pode ser realizada de várias maneiras, portanto, devem ser considerados a
faixa da medição, a aplicação do sistema e as condições do processo.
21. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
AUGUSTO,
Nathan.
Pressão
e
pressão
atmosférica.
Disponível
em:
<http://www.brasilescola.com/fisica/pressao-pressao-atmosferica.htm>. Acesso em: 28 ago.
2015.
CASSIOLATO, César. MEDIÇÃO DE PRESSÃO: Características, Tecnologias e
Tendências. Disponível em:
<http://www.smar.com/newsletter/marketing/index23.html>. Acesso em: 30 ago. 2015.
PENAS,
Rodolfo
Alves.
Pressão
atmosférica.
Disponível
em:
<http://www.mundoeducacao.com/geografia/pressao-atmosferica.htm>. Acesso em: 28 ago.
2015.
TOFFOLI, Leopoldo. Pressão atmosférica. Disponível em:
<http://www.infoescola.com/fisica/pressao-atmosferica/>. Acesso em: 28 ago. 2015.
VIANA, Ulisses Barcelos. Instrumentação básica I: pressão e nível. Disponível em:
<http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAwP8AB/instrumentacao-basica-1-pressao-nivelsenai>. Acesso em: 28 ago. 2015
VOGES, Cleber. Mecânica dos Fluídos: Tipos de medidores de pressão. 2012. Disponível em:
<http://wwwmecanicadosfluidos.blogspot.com.br/2010/10/tipos-de-medidores-depressao.html>. Acesso em: 30 ago. 2015.