Mecanismo

Medidores de pressão - Manômetros
TEMPERATURA DE OPERAÇÃO DOS MANÔMETROS EM GERAL.
Mínima de -10 ºC e máxima de 65 ºC para ambiente e fluído de processo.
TEMPERATURA DE OPERAÇÃO ACIMA DE 65 ºC.
Recomenda-se instalar tubo sifão, serpentina ou selo de diafragma, nos processos com temperatura
acima de 65 ºC, protegendo o dispositivo de bourdon pela e diminuição da temperatura do
dispositivo elástico. Ë oportuno lembra que as soldas existentes nestes dispositivos (normalmente
solda de prata) não suportam temperaturas levadas. Ainda, as temperaturas elevadas alterariam, as
características mecânicas e elásticas do material de composição do bourdon, consequentemente
interferindo na calibração.
Estes dispositivos de proteção são aplicados em linhas de vapor ou líquidas cuja temperatura supera o
limite de temperatura de operação do instrumento.
Outras causas de danos aos manômetros:
Vibrações, condensação nos dispositivo e mecanismos internos, corrosão na carcaça.
Algumas soluções: Manômetros preenchidos com líquido (glicerina, silicone) Proteção interna,
pivôs, engrenagens, tanto mecanicamente, lubrificação, como também por exclusão de umidade na
câmara interna. Alguns manômetros podem incluir, iluminação, ponteiros luminescentes, saída
digital, compensadores de temperatura, para corrigir a temperatura, etc.
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Os manômetros são classificados segundo a precisão admissível:
Grau 4A - erro máximo de 0,1 % do span
Grau D ............................0, 5
Principais Acessórios e artifícios para Proteção de manômetros
 Válvulas:
Isolar a linha e o manômetro – para remoção e manutenção. Pode ser conveniente outra válvula
adicional para drenar possível condensado, ou ainda para permitir isolar a linha e permitir calibrar
contra uma fonte de pressão padrão. Ainda, amortecer e atenuar a pulsação da linha e ainda
possibilita a retirada sem a necessidade de paralisar o processo.
 Sifões,
Isolar o manômetro do fluido da linha de processo empregando-se para isto o selo líquido.
 Aquecimento,
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Uso de “tracer” ou aquecimento elétrico.
Para manter a temperatura, evitando congelamento e bloqueio. Empregado em ambientes de baixa
temperatura.
 Selo Diafragma
Servem para separar e proteger o instrumento de medição do processo. Isolando o manômetro dos
eventuais produtos: corrosivos, viscosos, partículas sólidas, congelamento, produtos alimentícios,
temperaturas excessivas e outros.
Se necessário manter temperatura elevada, pelo emprego de KNa (eutético).
Se temperatura ambiente, glicerina e água.
Para baixa temperatura, etanol, tolueno ou óleo de silicone.
Pode-se instalar o selo conectado ao manômetro, através de um capilar, porém este não deve ser
exposto à excessiva temperatura, (para manter precisão) e também não deve exceder 7,5m.
 Supressores de pressão:
Proteger o manômetro de pressões excessivas (dispositivo regulável) - mola, pistão e esfera.
 Serpentina;
Isolar do fluido de processo, dissipando a temperatura e amortecendo golpes.
 Amortecedores de pulsação:
Restringe a passagem através de um capilar, equaliza a freqüência de pulsação, Servem para suprimir
ou diminuir os efeitos da pressão pulsante da linha, evitando a descalibração ou desgaste do sistema.
 Manômetros com enchimento de glicerina.
Aplicados nas indústrias em geral, em locais com altas vibrações, picos de pressão, ou pulsação da
linha, aumentando assim a vida útil do manômetro.
MEDIÇÃO DE PRESSÕES REDUZIDAS
Por Radiação –
São dispositivos no qual o gás (ambiente onde está sendo medida a pressão) é submetido à ionização
(irradiado por uma fonte de radiação proveniente de um emissor α). Ocorre variação na radiação
absorvida pelo gás devido às mudanças na densidade (variação da concentração molecular)
Transdutores por Relutância de Pressão
Dispositivos baseados na mudança de propriedades magnéticas como conseqüência das variações de
pressão sobre o gás.
Condutividade Térmica
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Dispositivos empregados para medida de sistemas sob alto vácuo. Um elemento resistivo aquecido
eletricamente, é exposto ao gás sob vácuo. As variações na condutividade térmica permitem assim
mensurar a pressão do sistema (concentração molecular).
Medidor de Pirani:
Instrumento para medir vácuo utilizando-se da mudança na resistência devido a uma mudança de
temperatura de um filamento. Este filamento, de reduzido diâmetro, componente de uma das quatro
resistências elétricas de um circuito de ponte de Wheatstone, é exposto ao vácuo a ser medido. A
corrente elétrica aquece o fio; o gás do ambiente (no vácuo) remove o calor do fio. Em um vácuo
estável, o fio alcança rapidamente a temperatura do equilíbrio. Se a pressão se eleva, o gás remove
mais calor, e a temperatura do fio decresce. Como a resistência do filamento é uma função da
temperatura, o equilíbrio elétrico da ponte de Wheatstone é alterado. A escala da medida da pressão
deste tipo de instrumento é geralmente 1 a 1024 torr (100 a 1024 Pascal).
Medidor de McLeod
Dispositivo empregado para medida de vácuo pela determinação da altura de uma coluna de mercúrio
em um capilar, suportada pela pressão do gás cuja determinação está sendo avaliada. Para pressões
abaixo de 1mmHg até 10-5 mmHg.
Baseia-se na Lei dos Gases de Boyle.
Um volume conhecido de um gás cuja pressão se deseja medir é isolado, elevando-se o nível de um
fluido (mercúrio, mais frequentemente) por meio de um êmbolo, por levantamento do reservatório
de, por meio de pressão ou por inclinação do depósito do aparelho. Como o nível de fluido é
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aumentado, o gás é comprimido no tubo capilar (ver ilustração). De acordo com a lei de Boyle, o gás
comprimido exerce agora suficiente pressão para sustentar uma coluna de fluido suficientemente
elevado permitindo assim a leitura. As leituras são pouco dependentes da composição do gás sob
pressão.
STRAIN GAGE (GAUGE)
Instrumentos que se baseiam em deformações mecânicas e que em conseqüência alteram alguma
propriedade do elemento deformado (resistência elétrica, de um metal semicondutor ou lâmina,
capacitância, indutância ou relutância), permitindo assim uma determinação da pressão pela variação
no valor da propriedade. Normalmente ligado a um componente estrutural.
Semicondutores
Efeito piezoresistivo Mudança na resistência elétrica em conseqüência da pressão aplicada
Efeito piezoelétrico Geração de tensão elétrica a custa de pressão aplicada ao elemento
História
A mudança de resistência dos dispositivos de metais devido a uma carga mecânica aplicada foi
observada pela primeira vez em 1856 por Lord Kelvin. Um cristal de silício passa então a ser o
material mais aplicado para a construção de circuitos analógicos e digitais. O intenso efeito
piezoresistivo do silício e do germânio foi descoberto em 1954
Mecanismo
A sensitividade dos dispositivos piezoresistivos são caracterizada pelo fator gauge:
Onde,
e R representam o aumento relativo do comprimento do elemento e a resistência
respectivamente.
Efeito de Piezoresistive em metais
O efeito de piezoresistivo de sensores metálicos é apenas devido à mudança da geometria do sensor
resultante da aplicação de esforço mecânico. O efeito piezoresistivo geométrico resulta do factor de
gauge,
Onde, ν representa a dependência da razão de Poisson do material. Apesar deste valor bastante ser
pequeno em comparação com efeito de piezoresistivo de outros materiais, piezoresistores metálicos,
do tipo strain gage são usados com êxito em uma ampla gama de aplicações.
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O efeito piezoresistivo de materiais semicondutores pode ser extremamente maiores que o efeito de
piezoresistivo geométrico presente em metais. Está presente em matérias como germânio, silício
polycrystalline, silício amorfo, carboneto de silício e silício monocristalino.
Efeito Piezoresistivo no silício
As alterações da resistividade do silício, não ocorrem apenas devido à mudança de geometria pela
deformação mecânica, mas também devido à resistividade do material. Isto resulta em um fator
gauge duas vezes superiores ao observado em metais. A resistência na zona n de condução do silício
muda principalmente devido à uma mudança em três diferentes pares de valência. A mudança faz
com que haja uma redistribuição das cargas transportadoras entre bandas de valência com diferentes
mobilidades. Isso resulta em alterações na mobilidade acarretando na mudança do sentido do fluxo de
corrente. Um menor efeito é devido à efetiva variação da massa, relacionada à alteração nas formas
dos vazios (buracos). Na zona de condução p do silício os fenômenos são mais complexos e também
resultam em alterações em massa e transferência elétron/buraco.
Dispositivos de silício piezoresistivos
O efeito de piezoresistivo de semicondutores tem sido usado para dispositivos de sensores
empregando todos os tipos de materiais semicondutores, tais como germânio, silício polycrystalino,
silício amorfo e silício monocristalino. Devido a isto o silício é hoje o material de escolhido para
circuitos digitais e circuitos analógicos integrados. Por isso, a utilização de dispositivos de silício
piezoresistivo tem sido de grande interesse. Permite a fácil integração de sensores tipo stain gage
com circuitos bipolar e CMOS.
Isso permitiu uma vasta gama de produtos usando o efeito de piezoresisitvo. Muitos dispositivos
comerciais tais como sensores de pressão e sensores de aceleração de empregam o efeito de
piezoresistive de silício. Mas, devido à sua magnitude do efeito de piezoresistive de silício também
atraiu a atenção da investigação e desenvolvimento para muitos outros dispositivos usando silício
monocristalino. Sensores Hall constituído por semicondutores, por exemplo, foram capazes de atingir
sua precisão de corrente só depois de empregar métodos que eliminam as contribuições de sinal
devido a insistência de esforço mecânico aplicado.
Piezoeletricidade
Strain gage “Unbonded”
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Dispositivos strain gage constituídos de uma delgada malha ou rede de fino fio condutor esticado sob
leve tensão preso a uma grade estacionária fixada a uma estrutura móvel, a exemplo de um fole ou
diafragma. A pressão aplicada ao fole ou diafragma atua sobre o elemento de fio deformável
(elástico) em relação à estrutura rígida, aumentando a tensão em parte do filamento e reduzindo no
resto do circuito.
Strain gage Resistivo
Dispositivos strain gage constituído de uma lamina fina ou fio de metal cementada a uma região sob
ensaio (sob efeito da força de pressão). Mudanças na resistência elétrica são decorrentes da
compressão ou elongação do elemento (mudança do comprimento e na seção circular).
Strain gage “bonded”
Dispositivos strain gage onde o elemento deformável, um fino filme está configurado normalmente
na forma de zig zag, estando envolto em um material polimérico isolante ou papel e/ou plástico
aderidos à superfície do elemento mecanicamente deformável submetido à pressão.
Strain foil
Dispositivos strain gage onde uma delgada lamina depositada sobre uma superfície curva, tem sua
configuração de longo fio ( condutor) construída por técnica de foto-corrosão ou eletro-erosão.
Devido à reduzida sensitividade transversal manifesta desprezível histeresis sob ciclos de carga
mecânica, como também apresenta pouco risco de ruptura sob manutenção de carga.
TRANSDUTORES
Em geral, um instrumento completo ou dispositivos sensores completos, empregados em
instrumentação compreendem elementos sensíveis à pressão tais como; tubo bourdon, foles ou
elementos diafragma, um dispositivo que converte movimento ou força, produzida pelo elemento
sensor, a uma mudança num parâmetro elétrico, mecânico ou pneumático e também uma indicação
ou registro da perturbação sob monitoramento. Frequentemente o instrumento é empregado em um
circuito de autocontrole para manter uma pressão desejada.
Embora, transdutores pneumáticos e mecânicos sejam comumente usados, medidas na forma de
sinais elétricos são preferidos devido à necessidade de transmissão a longa distância e maior requisito
de precisão. São normalmente mais econômicos e apresentam menor tempo de resposta. Nesta
categoria, podem os transdutores elétricos ser classificados pelo princípio de operação como: strain
gage, transdutores magnéticos, transdutores de cristal, transdutores capacitivos e transdutores
ressonantes.
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Nos transdutores resistivos à pressão é medida pela variação da resistência como função da pressão.
Nestes dispositivos transdutores são empregados com freqüência um cursor (contato) móvel
deslizante posicionado (o elemento sensor é responsável pelo movimento, transmite ao contato móvel
o deslocamento) pelo elemento sensor de pressão. Uma das formas é o contato deslizante ao longo de
um resistor contínuo, que pode ser constituído de um fio metálico reto, em espiral, ou ainda condutor
não metálico como carbono.
Os transdutores strain gage, se enquadram como resistivos, recebendo distintas classificações
conforme já citado.
Nos transdutores magnéticos,
uma mudança na pressão é convertida em relutância ou
indutância, quando uma parte do circuito magnético é movida pelo elemento sensor de pressão –
bourdon, diafragma ou fole.
Cristais piezoelétricos produzem um potencial elétrico quando submetidos à pressão gerada
pelo elemento sensor. Estes cristais apresentam elevada velocidade de resposta e são por isso, ideais
para medidas de pressão dinâmica, usados por isso em balística, aeronáutica, etc.
Transdutores capacitivos
de pressão são quase que invariavelmente sensores de pressão
constituídos de diafragma metálico, que funciona como uma das placas de um capacitor. Duas outras
placas alteram sua distancia relativa a uma placa comum (a placa central), funcionando como dois
capacitores.. Outra forma construtiva, Tanto o deslocamento relativo entre as placas mantidas
constante a distancia entre elas (variação da área entre as placas), ou então o afastamento entre elas,
mantendo-se constante a área vista por ambas as placas pode ser empregadas de forma a alterar o
valor da capacitância.
Transdutores ressonantes consistem de um fio ou tubo sob tensão mecânica, fixado a uma
extremidade e preso a outra ao elemento sensível a pressão. O fio, submetido a um campo magnético
é feito oscilar. Com o aumento da pressão, ocorre um aumento na tensão do fio ou tubo, o que
manifesta um aumento na freqüência ressonante.
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