Medição de pressão
2.4. Elementos sensores
2.4.1. Elementos sensores mecânicos
Os sensores mecânicos são mecanismos que transformam a variável de processo a ser medida em grandezas mecânicas, como deformação elástica, movimento ascendente ou descendente de hastes.
Em ambiente Petrobras, os tipos de manômetros mais usados são os de tubo Bourdon do tipo C.
a) Manômetros tipo tubo Bourdon
No grupo que se baseia em deformação elástica, o manômetro de tubo de Bourdon é um dos mais utilizados, com ampla faixa de aplicação na indústria. Esta preferência deve-se a sua inerente robustez, simplicidade e custo relativamente baixo.
O Bourdon é constituído por um tubo metálico com seção paralelística, encurvando em forma de C, tendo uma das extremidades fechada e livre e a outra fixa a um suporte (soquete) que serve de conexão ao ponto de medida.
O tubo de Bourdon é o elemento sensível do instrumento que entra em contato direto com o fl uido do qual se deseja medir a pressão.
Funcionamento
•
A pressão desconhecida P, quando aplicada ao interior do tubo, promove um deslocamento que é proporcional à força resultante. Observe:
F = K.x... Onde:
F = força Resultante;
K = constante de elasticidade do tubo; x = deslocamento da extremidade livre.
Como:
F = P.A Onde :
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Tipos de elementos sensores
a) Mecânico
Tipo “coluna líquida”
• Tubo em “U” • Tubo reto • Tubo inclinado Tipo “elástico” • Tubo Bourdon • Diafragma • Fole • Cápsula b) Elétrico • Cristal piezoelétrico • Strain gauge • Capacitivo Fonte - Pereira, 2006
Os elementos sensores mecânicos e elétricos são utilizados nos instrumentos indicadores de pressão (manômetros), chaves de pressão (pressostatos), transmissores, controladores.
IMPORTANTE!
2.4.1. Elementos sensores mecânicos
Os sensores mecânicos são mecanismos que transformam a variável de processo a ser medida em grandezas mecânicas, como deformação elástica, movimento ascendente ou descendente de hastes.
Em ambiente Petrobras, os tipos de manômetros mais usados são os de tubo Bourdon do tipo C.
a) Manômetros tipo tubo Bourdon
No grupo que se baseia em deformação elástica, o manômetro de tubo de Bourdon é um dos mais utilizados, com ampla faixa de aplicação na indústria. Esta preferência deve-se a sua inerente robustez, simplicidade e custo relativamente baixo.
O Bourdon é constituído por um tubo metálico com seção paralelística, encurvando em forma de C, tendo uma das extremidades fechada e livre e a outra fixa a um suporte (soquete) que serve de conexão ao ponto de medida.
O tubo de Bourdon é o elemento sensível do instrumento que entra em contato direto com o fl uido do qual se deseja medir a pressão.
Funcionamento
•
A pressão desconhecida P, quando aplicada ao interior do tubo, promove um deslocamento que é proporcional à força resultante. Observe:
F = K.x... Onde:
F = força Resultante;
K = constante de elasticidade do tubo; x = deslocamento da extremidade livre.
Como:
F = P.A Onde :
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Temos, então que:
P.A = K.x Logo podemos concluir que:
X ≈ P
ATENÇÃO
A pressão exercida no elemento sensor é proporcional ao deslocamento.
A pressão aplicada ao tubo de Bourdon, se for superior à pressão externa ou à pressão atmosférica, faz com que o tubo mude o seu formato para uma seção transversal mais circular. As tensões criadas no tubo tendem a endireitar a curvatura em forma de C. Como uma extremidade do tubo é fi xa ao soquete, a ponta livre se movimenta. Este movimento é pequeno (1,5 a 12 mm) sendo necessário amplifi cá- lo. Esta amplifi cação é feita através de um conjunto mecânico chamado “máquina”.
A máquina é constituída de: Pinhão; • Eixo; • Setor; • Dentado; •
Barra de acoplamento (link); •
Mola espiral. •
A máquina amplifi ca o pequeno movimento da extremidade livre do tubo e posiciona o ponteiro numa escala conveniente, graduada em unidades de pressão.
Tubo de Bourdon
Materiais •
Os materiais mais empregados na construção dos tubos são: Aço inoxidável;
•
Aço liga; •
Bronze fósforo etc. •
A escolha do material depende da natureza e das condições do trabalho a que serão submetidos os tubos. Os materiais e as ligas dos tubos Bourdon, o tratamento térmico a eles aplicados e as soldas efetuadas são de grande importância, uma vez que seu comportamento é em grande parte resultante desses fatores.
O tubo deve resistir à máxima pressão para a qual foi projetado por longo período, e também à fadiga de sucessivas solicitações ou vibrações exteriores.
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Temos, então que:
P.A = K.x Logo podemos concluir que:
X ≈ P
ATENÇÃO
A pressão exercida no elemento sensor é proporcional ao deslocamento.
A pressão aplicada ao tubo de Bourdon, se for superior à pressão externa ou à pressão atmosférica, faz com que o tubo mude o seu formato para uma seção transversal mais circular. As tensões criadas no tubo tendem a endireitar a curvatura em forma de C. Como uma extremidade do tubo é fi xa ao soquete, a ponta livre se movimenta. Este movimento é pequeno (1,5 a 12 mm) sendo necessário amplifi cá- lo. Esta amplifi cação é feita através de um conjunto mecânico chamado “máquina”.
A máquina é constituída de: Pinhão; • Eixo; • Setor; • Dentado; •
Barra de acoplamento (link); •
Mola espiral. •
A máquina amplifi ca o pequeno movimento da extremidade livre do tubo e posiciona o ponteiro numa escala conveniente, graduada em unidades de pressão.
Tubo de Bourdon
Materiais •
Os materiais mais empregados na construção dos tubos são: Aço inoxidável;
•
Aço liga; •
Bronze fósforo etc. •
A escolha do material depende da natureza e das condições do trabalho a que serão submetidos os tubos. Os materiais e as ligas dos tubos Bourdon, o tratamento térmico a eles aplicados e as soldas efetuadas são de grande importância, uma vez que seu comportamento é em grande parte resultante desses fatores.
O tubo deve resistir à máxima pressão para a qual foi projetado por longo período, e também à fadiga de sucessivas solicitações ou vibrações exteriores.
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Aplicações
•
É bastante comum o emprego do manômetro de tubo Bourdon para medir pressões numa faixa que vai de 1 Kgf/ cm² g de vácuo até 1.000
Kgf/cm² g e sobrepressão de 2000 kgf/cm2.
Manômetros de
• Bourdon tipo hélice e espiral
São praticamente tubos de Bourdon enrolados em hélice cilíndrica ou espiral de vários passos. A confi guração em hélice ou espiral proporciona maior sensibilidade e um deslocamento da extremidade livre bem maior em comparação ao tubo de Bourdon. Assim sendo, não é necessário amplifi car o movimento do elemento sensível, sendo este ligado diretamente ao mecanismo de identifi cação ou registradores de pressão, transmissores ou controladores de caixa retangular de campo. A precisão desse elemento atende às medições industriais e situa-se em 1% da escala total.
Tubo de Bourdon - tipo espiral
ATENÇÃO
Seção A-A é um corte da fi gura, à direita, mostrando que a espiral do Bourdon é oca.
Manômetro Tipo espiral Tipo hélice
Construção
O Bourdon espiral é usado quando o movimento da extremidade livre do C-Bourdon não é sufi cientemente grande (pequenas variações de pressão, por exemplo). Com a construção em espiral, são obtidos grandes movimentos do extremo livre, o que
dispensa, na maioria dos casos, os mecanismos de ampliações e aumenta a precisão.
A construção da hélice Bourdon é similar à da espiral, porém o elemento é disposto em forma de hélice. Com isto, consegue- se um aumento ainda maior do deslocamento da extremidade livre do sensor. Neste tipo de manômetro, o ponteiro indicador pode ser conectado diretamente à hélice através de um eixo, pois os movimentos serão proporcionais à pressão. O número de passes dependerá do range a ser medido.
Utilização
São usados para medidas de pressões relativas positivas e negativas. Usados para indicação local ou transmissão remota.
São usados para medir pressão manométrica onde tenhamos necessidade de grandes ranges, e altas pressões a medir. Usados para indicação local ou transmissão remota.
Faixa de Uso
200 A 15.000psig (14 a 1000
Kg/cm² g) Vácuo até 4.000 psi (300 Kg/cm² g)
Precisão 0,5 % do span De 0,5 a 1 % do span.
Nos manômetros industriais, a precisão dos instru- mentos é normalmente de ± 1% da faixa total e o campo de medida aconselhado é de 1/3 a 2/3 do fi m de escala.
IMPORTANTE!
b) Manômetros tipo diafragma
O manômetro de cápsula de diafragma também é empregado para medir pressão diferencial. Neste caso, uma das pressões é aplicada no interior do elemento sensor. A segunda pressão é aplicada ao alojamento da cápsula, que deve ser hermeticamente fechada e aberta sobre a parte externa do diafragma. A diferença entre as duas pressões provoca o deslocamento da cápsula de modo a oferecer uma indicação da pressão diferencial aplicada.
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Aplicações
•
É bastante comum o emprego do manômetro de tubo Bourdon para medir pressões numa faixa que vai de 1 Kgf/ cm² g de vácuo até 1.000
Kgf/cm² g e sobrepressão de 2000 kgf/cm2.
Manômetros de
• Bourdon tipo hélice e espiral
São praticamente tubos de Bourdon enrolados em hélice cilíndrica ou espiral de vários passos. A confi guração em hélice ou espiral proporciona maior sensibilidade e um deslocamento da extremidade livre bem maior em comparação ao tubo de Bourdon. Assim sendo, não é necessário amplifi car o movimento do elemento sensível, sendo este ligado diretamente ao mecanismo de identifi cação ou registradores de pressão, transmissores ou controladores de caixa retangular de campo. A precisão desse elemento atende às medições industriais e situa-se em 1% da escala total.
Tubo de Bourdon - tipo espiral
ATENÇÃO
Seção A-A é um corte da fi gura, à direita, mostrando que a espiral do Bourdon é oca.
Manômetro Tipo espiral Tipo hélice
Construção
O Bourdon espiral é usado quando o movimento da extremidade livre do C-Bourdon não é sufi cientemente grande (pequenas variações de pressão, por exemplo). Com a construção em espiral, são obtidos grandes movimentos do extremo livre, o que
dispensa, na maioria dos casos, os mecanismos de ampliações e aumenta a precisão.
A construção da hélice Bourdon é similar à da espiral, porém o elemento é disposto em forma de hélice. Com isto, consegue- se um aumento ainda maior do deslocamento da extremidade livre do sensor. Neste tipo de manômetro, o ponteiro indicador pode ser conectado diretamente à hélice através de um eixo, pois os movimentos serão proporcionais à pressão. O número de passes dependerá do range a ser medido.
Utilização
São usados para medidas de pressões relativas positivas e negativas. Usados para indicação local ou transmissão remota.
São usados para medir pressão manométrica onde tenhamos necessidade de grandes ranges, e altas pressões a medir. Usados para indicação local ou transmissão remota.
Faixa de Uso
200 A 15.000psig (14 a 1000
Kg/cm² g) Vácuo até 4.000 psi (300 Kg/cm² g)
Precisão 0,5 % do span De 0,5 a 1 % do span.
Nos manômetros industriais, a precisão dos instru- mentos é normalmente de ± 1% da faixa total e o campo de medida aconselhado é de 1/3 a 2/3 do fi m de escala.
IMPORTANTE!
b) Manômetros tipo diafragma
O manômetro de cápsula de diafragma também é empregado para medir pressão diferencial. Neste caso, uma das pressões é aplicada no interior do elemento sensor. A segunda pressão é aplicada ao alojamento da cápsula, que deve ser hermeticamente fechada e aberta sobre a parte externa do diafragma. A diferença entre as duas pressões provoca o deslocamento da cápsula de modo a oferecer uma indicação da pressão diferencial aplicada.
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Os elementos também podem ser dispostos de modo a medir a pressão absoluta, fazendo vácuo no alojamento em redor da cápsula ou em se tratando de manômetro de diafragma, em um dos lados do mesmo.
P
Exemplo de cápsula de Diafragma
Esse tipo de manômetro consiste de um disco circular utilizado para medir pressões geralmente de pequenas amplitudes. É uma membrana fi na de material elástico, metálico ou não. No manômetro tipo diafragma esta membrana fi ca sempre oposta a uma mola. Ao aplicar-se uma pressão no diafragma haverá um deslocamento do mesmo até um ponto onde a força da mola se equilibrará com a força elástica do diafragma. Este deslocamento resultante é transmitido a um sistema com indicação (ponteiro) que mostra a medição efetuada.
Tipo liso
Tipo liso
Tipo corrugado Tipos de construções para superfícies de diafragmas
Os diafragmas podem ser lisos ou corrugados. Os dois tipos de diafragma podem ser usados como discos simples ou unidos dois a dois, formando cápsulas. Podem ser utilizadas, ainda, várias cápsulas, o que permite a obtenção de movimentos mais sensíveis.
1 2 Pressão a medir 1 - diafragma 2 - mola 3 - corrente 4 - ponteiro 5 - escala 3 4 5 - 15 - 10 + 10 + 15 + 20in H O2 - 5 + 5 0 Cápsulas
Para medição de pressões absolutas, as cápsulas devem ser evacuadas. Para medidas de pressões muito próximas à atmosfera, como triagem de fornos e caldeiras, são usados os manômetros construídos com diafragmas frouxos (slack diaphragm), onde as forças de pressão são equilibradas por molas. Estes instrumentos são conhecidos como medidores de triagem (draft gauge) e são bastante sensíveis.
Materiais
•
Alguns dos materiais empregados em cápsulas e diafragmas são o bronze, latão, cobre, berílio, aço inox.
Aplicações
•
Geralmente, cápsulas e diafragmas são usados para medir pressões baixas na faixa de 0 a 25 mm de mercúrio e até 0 a 25 Kgf/cm² g. São usados, também, para medir baixo vácuo (0 a 25 mmHg) podendo, porém, medir vácuo até 760 mmHg.
Para pressões até 0,7 Kgf/cm² g, os manômetros de diafragma são geralmente melhores do que os manômetros de fole ou Bourdon.
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Os elementos também podem ser dispostos de modo a medir a pressão absoluta, fazendo vácuo no alojamento em redor da cápsula ou em se tratando de manômetro de diafragma, em um dos lados do mesmo.
P
Exemplo de cápsula de Diafragma
Esse tipo de manômetro consiste de um disco circular utilizado para medir pressões geralmente de pequenas amplitudes. É uma membrana fi na de material elástico, metálico ou não. No manômetro tipo diafragma esta membrana fi ca sempre oposta a uma mola. Ao aplicar-se uma pressão no diafragma haverá um deslocamento do mesmo até um ponto onde a força da mola se equilibrará com a força elástica do diafragma. Este deslocamento resultante é transmitido a um sistema com indicação (ponteiro) que mostra a medição efetuada.
Tipo liso
Tipo liso
Tipo corrugado Tipos de construções para superfícies de diafragmas
Os diafragmas podem ser lisos ou corrugados. Os dois tipos de diafragma podem ser usados como discos simples ou unidos dois a dois, formando cápsulas. Podem ser utilizadas, ainda, várias cápsulas, o que permite a obtenção de movimentos mais sensíveis.
1 2 Pressão a medir 1 - diafragma 2 - mola 3 - corrente 4 - ponteiro 5 - escala 3 4 5 - 15 - 10 + 10 + 15 + 20in H O2 - 5 + 5 0 Cápsulas
Para medição de pressões absolutas, as cápsulas devem ser evacuadas. Para medidas de pressões muito próximas à atmosfera, como triagem de fornos e caldeiras, são usados os manômetros construídos com diafragmas frouxos (slack diaphragm), onde as forças de pressão são equilibradas por molas. Estes instrumentos são conhecidos como medidores de triagem (draft gauge) e são bastante sensíveis.
Materiais
•
Alguns dos materiais empregados em cápsulas e diafragmas são o bronze, latão, cobre, berílio, aço inox.
Aplicações
•
Geralmente, cápsulas e diafragmas são usados para medir pressões baixas na faixa de 0 a 25 mm de mercúrio e até 0 a 25 Kgf/cm² g. São usados, também, para medir baixo vácuo (0 a 25 mmHg) podendo, porém, medir vácuo até 760 mmHg.
Para pressões até 0,7 Kgf/cm² g, os manômetros de diafragma são geralmente melhores do que os manômetros de fole ou Bourdon.
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As aplicações típicas dos manômetros de diafragmas incluem manômetros de baixa pressão, de pressão absoluta, depressão ou baixo vácuo, manômetros padrões e manômetros de pressão diferencial.
c) Fita extensiométrica (Strain gage)
O fole é um elemento elástico, geralmente formado a partir de um tubo de paredes fi nas, sem costura, com parede externa corrugada. O fole trabalha normalmente contra uma mola que limita seus movimentos ao mesmo tempo em que confere proporcionalidade entre o sinal de pressão aplicado e o deslocamento obtido.
Uma unidade de fole duplo permite medir pressão absoluta. Um dos foles é então evacuado a um vácuo quase perfeito. Um fole de medição colocado no extremo oposto de um braço de alavanca sensível à pressão sobre medição desloca o sistema, permitindo uma indicação.
Uma variação na pressão atmosférica faz com que o fole evacuado se contraia ou se distenda ligeiramente, movimentando a alavanca para compensar a tendência de falseamento da leitura.
Os manômetros de fole geralmente medem pressões baixas. Como o tamanho dos foles varia de 0 até 30 mm de diâmetro, eles podem ser bastante sensíveis e, contudo, potentes.
Aplicações
•
Geralmente, são aplicados em faixas de pressão de 0 a 25 mmHg até 0,07 a 2 Kgf/cm² g de sobrepressão e vácuo de 760 mmHg. Link to pointer P Bellows Spring P
Manômetro tipo fole
Utilização
•
Os elementos tipo fole são usados para medir pressão manométrica, pressão diferencial e pressão absoluta. Neste último caso, são utilizados dois foles e em um deles é produzido vácuo total. São usados para indicação local ou transmissão remota.
Faixa de utilização
•
São usados em geral para medidas de pressões médias e baixas. O
range usual é de 5” H2O a 40psig ( 3 Kgf/cm² g). Podem, entretanto,
medir pressões diferenciais tão altas quanto 400psig com pressões estáticas de 6.000psig ( ± 400 Kg/cm²).
Materiais de construção
•
São geralmente construídos de latão, bronze, fósforo e monel.