Instrumentação (2009) 5bProf. Saulo5d 2.1 - MVP - Slides

Texto

(1)Medição de Variáveis de Processo Pressão. Prof. Saulo Garcia Campos. 1.

(2) 1 - Introdução. Prof. Saulo Garcia Campos. 2.

(3) 1 - Introdução. • Pressão – Pode ser definida como a ação de uma força contra uma força contrária. – Ela tem a natureza de um empuxo distribuído uniformemente sobre uma superfície plana no interior de um recipiente fechado. – É definida como força por unidade de área:. Pressão (P) =. Prof. Saulo Garcia Campos. Força (F) Área (A) 3.

(4) 2 - Generalidades. Prof. Saulo Garcia Campos. 4.

(5) 2 - Generalidades. • 2.1 Unidade – A unidade de pressão usualmente utilizadas: • no sistema métrico industrial é o kgf/cm²; • enquanto no sistema inglês industrial se utiliza o psi (pound square inch) = lbf/in² (libra força por polegada quadrada). • N/m² (newton por metro quadrado), chamada de pascal [Pa]; • dyn/cm² (dina por centímetro quadrado), chamada de bária; • bar que equivale a 106 bárias.. Prof. Saulo Garcia Campos. 5.

(6) 2 - Generalidades. • 2.1 Unidade (cont.) – São utilizadas diversas outras unidades para expressar medidas de pressão. As mais usuais são: • • • • •. cmH2O (centímetros de coluna de água); mmHg ou Torr (milímetros de coluna de mercúrio); pol.H2O (polegadas de coluna de água); pol.Hg (polegadas de mercúrio) bar (corresponde aproximadamente à pressão da água do mar a 10 metros de profundidade); • atm (atmosfera normal, equivale à pressão exercida por uma coluna de 760 mmHg, com massa volumétrica de 13,5951 g/cm³); Prof. Saulo Garcia Campos. 6.

(7) 2 - Generalidades. • 2.2 Definições – Existem duas referências para a medição de pressão: – 2.2.a Pressão absoluta • Embora o zero absoluto só exista em um vácuo perfeito, esta condição é bastante lógica e, por isso, é utilizada como referência para medição da chamada pressão absoluta;. Prof. Saulo Garcia Campos. 7.

(8) 2 - Generalidades – 2.2.b Pressão atmosférica • A palavra atmosfera designa a camada gasosa que envolve o globo terrestre. Como esta camada tem a espessura de cerca de 50 km, a parte inferior da camada gasosa, que se encontra na superfície da Terra, suporta todas as camadas superiores e exerce, ao nível do solo, uma pressão correspondente ao peso total desta coluna gasosa. • Ao nível do mar, em condições de intensidade normal de gravidade (aceleração de 9,80665 m/s²) e a 0°C de temperatura, esta pressão equivale a 1 atm, ou 14,69 psia, ou 1,033 kgf/cm²abs,. Ou 760 mmHg abs., ou 29,92 pol.Hg abs.. Prof. Saulo Garcia Campos. 8.

(9) 2 - Generalidades – 2.2.b Pressão atmosférica (cont.) • A dificuldade desta referência decorre do fato de que ela varia com a latitude e com as condições ambientais do local. • A dificuldade desta referência decorre do fato de que ela varia com a latitude e com as condições ambientais do local. • Quando se utiliza a pressão atmosférica como referência, as pressões medidas a partir dessa referência (acima desta referência) são chamadas pressões relativas, pressões manométricas (gauge pressures), pressões efetivas ou pressões positivas. Prof. Saulo Garcia Campos. 9.

(10) 2 - Generalidades – 2.2.b Pressão atmosférica (cont.) • As pressões abaixo dessa referência são chamadas vácuo ou pressões negativas. • O vácuo é simplesmente uma redução da pressão atmosférica. • Das definições anteriores conclui-se que: Pressão absoluta = Pressão relativa + Pressão atmosférica. Prof. Saulo Garcia Campos. 10.

(11) 2 - Generalidades – 2.2.b Pressão atmosférica (cont.) • Medição da Pressão Atmosférica • Em 1643, Torricelli inventou o primeiro barômetro, que permitiu medir a pressão exercida sobre a terra pelas camadas gasosas que a envolvem. • Para realizar esse experimento, usa-se um tubo de vidro com comprimento em torno de 90 cm, fechado em uma das extremidades. • O tubo deve ser lavado com ácido e secado em vácuo, após isso, é cheio de mercúrio puro e seco.. Prof. Saulo Garcia Campos. 11.

(12) 2 - Generalidades – 2.2.b Pressão atmosférica (cont.) • Medição da Pressão Atmosférica • Emborcando o tubo de vidro, com o polegar obstruindo a extremidade aberta, e colocando-o num vasilhame contendo mercúrio puro, nota-se que o mercúrio desce no tubo e se estabiliza a uma certa altura. • Através de uma régua graduada em milímetros, tendo a parte inferior pontiaguda tocando na superfície do mercúrio contido no vasilhame, mede-se a pressão atmosférica em milímetros de mercúrio.. Prof. Saulo Garcia Campos. 12.

(13) 2 - Generalidades – 2.2.b Pressão atmosférica (cont.) • Medição da Pressão Atmosférica. ESCALA h m m H g. Prof. Saulo Garcia Campos. A B. 13.

(14) 2 - Generalidades – 2.2.b Pressão atmosférica (cont.) • Medição da Pressão Atmosférica • As pressões exercidas em A e B são iguais, pois estão no mesmo nível, no mercúrio. A pressão em A é a pressão atmosférica; a pressão em B é a pressão da coluna de mercúrio. Desde que as pressões em A e B são iguais, a pressão atmosférica é igual à pressão exercida pela coluna de mercúrio. • Ao lado do barômetro, coloca-se um termômetro para eliminar o erro devido à dilatação do mercúrio sob a ação da leitura exata.. Prof. Saulo Garcia Campos. 14.

(15) 2 - Generalidades – 2.2.b Pressão atmosférica (cont.) • Medição da Pressão Atmosférica • É necessário conhecer outras influências de ordem local, tais como latitude, altitude e aquela própria de cada instrumento, proveniente da depressão capilar.. Prof. Saulo Garcia Campos. 15.

(16) 2 - Generalidades – 2.2.c Densidade e Peso Específico dos Fluidos • 2.2.c.1 Densidade Absoluta ou Massa Específica • Massa Específica ou Densidade Absoluta é a massa contida numa unidade de volume do fluido. ρ=m/V • onde – ρ = massa específica – m = massa – V = volume. • As unidades principais da massa específica são: – CGS: g/cm³ – MKS: kg/m³. Prof. Saulo Garcia Campos. 16.

(17) 2 - Generalidades – 2.2.c Densidade e Peso Específico dos Fluidos • 2.2.c.2 Peso específico • Peso específico de um líquido é o peso da unidade de volume desse líquido. γ=p/V • onde – γ = peso específico – p = Peso (força peso) – V = volume. • Temos que p = m∙g (definição de peso, onde m é a massa do corpo e g é a aceleração da gravidade) • As unidades principais do peso específica são: – CGS: dina/cm³ – MKS: N/m³ – MK*S: kgf/m³. Prof. Saulo Garcia Campos. 17.

(18) 2 - Generalidades – 2.2.c Densidade e Peso Específico dos Fluidos • 2.2.c.3 Relação entre massa específica e o peso específico. γ = p / V = (m∙g) / V = (m/V)∙g γ = ρ∙g. Prof. Saulo Garcia Campos. 18.

(19) 2 - Generalidades – 2.2.c Densidade e Peso Específico dos Fluidos • 2.2.c.4 Densidade Relativa • A densidade relativa de um líquido é a comparação que se faz entre o peso deste líquido e o peso de igual volume de água destilada a 4°C. • A densidade é adimensional, ou seja, não apresenta unidade de medida. • A densidade relativa indicada por “dr”, podendo também ser definida como a razão entre as massas específicas.. dr = (massa específica do corpo) / (massa específica da água) ou dr = (peso específico do corpo) / (peso específico da água) Prof. Saulo Garcia Campos. 19.

(20) 2 - Generalidades – 2.2.c Densidade e Peso Específico dos Fluidos • 2.2.c.4 Densidade Relativa • Exemplo • Calcule a densidade relativa e a massa específica da glicerina, sabendo que seu peso específico vale 1280 kgf/cm³. • γglicerina = 1280 kgf/cm³ • ρglicerina = 1280 kgf/cm³ • dr = ρglicerina / ρH2O = 1280 kg/cm³ / 1000 kg/cm³ = 1,28 • Ou seja, a glicerina é 1,28 vezes mais densa que a água destilada a 4°C. • A densidade do mercúrio é 13,6, isto significa que um certo volume de mercúrio é 13,6 vezes mais pesado que o igual volume de água destilada a 4°C.. Prof. Saulo Garcia Campos. 20.

(21) 2 - Generalidades – 2.2.c Densidade e Peso Específico dos Fluidos • 2.2.c.5 Influência da Temperatura • A variação da temperatura provoca alterações no volume dos fluidos, fazendo com que uma dada unidade de volume apresente diferentes massas de fluido em diferentes temperaturas. • Portanto, a massa específica, o peso específico e a densidade relativa variam com a mudança de temperatura do fluido.. Massa Específica (ρ) [kg/m³] Temperatura (°C) Água (H2O) Mercúrio (Hg). Álcool Etílico (96%). 0. 999,78. 13.595,08. --. 4. 1.000,00. 13.585,17. --. 10. 999,75. 13.570,33. 809,91. 15,56. 999,08. 13.556,61. --. 20. 998,28. 13.545,68. 801,38. 25. 997,12. 13.533,38. 797,06. Prof. Saulo Garcia Campos. 21.

(22) 2 - Generalidades. • 2.3 Tipos de pressões – Sempre que um fluído estiver circulando em um duto, devido a ação de um ventilador, exaustor, compressor, bomba, etc., existirá • • • •. pressão estática, pressão dinâmica ou cinética, pressão total e pressão diferencial.. Prof. Saulo Garcia Campos. 22.

(23) 2 - Generalidades – 2.3.a Pressão Estática. Prof. Saulo Garcia Campos. 23.

(24) 2 - Generalidades – 2.3.a Pressão Estática • É a sobrepressão ou depressão relativa criada pela atuação de um equipamento (ventilador, compressor, bomba ou exaustor) ou pela altura da coluna de um líquido. • Caso não haja circulação do fluído, a pressão será a mesma em todos os pontos do duto. • Caso haja circulação, a pressão estática deverá ser medida, através de um orifício de pressão, com eixo perpendicular à corrente do fluido, de forma que a medição não seja influenciada pela componente dinâmica da circulação.. Prof. Saulo Garcia Campos. 24.

(25) 2 - Generalidades – 2.3.b Pressão Dinâmica ou Cinética • É a pressão devida a velocidade de um fluído em movimento em um duto. • Ela atua sobre a superfície de um orifício de pressão, colocado no sentido da corrente do fluido, aumentando a pressão estática de um valor proporcional ao quadrado da velocidade do fluido.. Prof. Saulo Garcia Campos. 25.

(26) 2 - Generalidades – 2.3.b Pressão Dinâmica ou Cinética • A resultante pode ser calculada pela seguinte fórmula: Pd = ρ∙v² / 2. (N/m²). Pd = γ ∙v² / 2g. (kgf/m²). ou. onde – – – – – Prof. Saulo Garcia Campos. Pd = pressão dinâmica; ρ = massa específica do fluído (kg/m³); v = velocidade do fluido (m/s); γ = peso específica do fluído (kgf/m³); g = aceleração da gravidade (9,8 m/s²). 26.

(27) 2 - Generalidades – 2.3.c Pressão Total • É a soma das pressões estáticas e dinâmica; • Conforme figura abaixo, o tubo de Pitot é um dos instrumentos que consegue medir as pressões estática, dinâmica e total.. Prof. Saulo Garcia Campos. 27.

(28) 2 - Generalidades – 2.3.c Pressão Total. Prof. Saulo Garcia Campos. 28.

(29) 2 - Generalidades – 2.3.d Pressão Diferencial • É a diferença de pressão medida em dois pontos de um duto ou equipamento, também chamado de ΔP. • A existência de um obstáculo à passagem do fluido (placa de orifício, filtro, válvula, etc.), instalado em um duto, gera uma perda de carga. • Esta perda de carga pode ser medida conectandose um lado de um manômetro de tubo em “U” à montante e o outro lado à jusante do obstáculo, o valor indicado será uma medida de pressão diferencial.. Prof. Saulo Garcia Campos. 29.

(30) 2 - Generalidades – 2.3.d Pressão Diferencial. Prof. Saulo Garcia Campos. 30.

(31) 2 - Generalidades. • 2.4 Teorema de Stevin – “A diferença de pressão entre dois pontos de um fluido, em repouso é igual ao produto do peso específico do fluido (γ) pela diferença de altura entre dois pontos (h)” P=γ∙h. Prof. Saulo Garcia Campos. 31.

(32) 2 - Generalidades. • 2.4 Teorema de Stevin. Prof. Saulo Garcia Campos. 32.

(33) 2 - Generalidades. • 2.4 Teorema de Stevin (cont.) – Assim, todos os pontos situados na posição h1, em um recipiente, estão submetidos a uma pressão igual; – Pontos situados na posição h2 do mesmo recipiente estarão submetidos à pressão diferente daquele a que estão submetidos os pontos situados na posição h1. – Têm-se, então, planos paralelos na superfície livre do líquido, onde todos os pontos situados no mesmo plano estão submetidos a uma mesma pressão. Prof. Saulo Garcia Campos. 33.

(34) 2 - Generalidades • 2.4 Teorema de Stevin (cont.) – Consideremos os tanques abaixo cheios de água.. Prof. Saulo Garcia Campos. 34.

(35) 2 - Generalidades • 2.4 Teorema de Stevin (cont.) – Volume dos tanques: • Volume do tanque A: VA = 2 ∙ 2 ∙ 0,5 = 2 m³ = 2000 litros • Volume do tanque B: VB = 1 ∙ 2 ∙ 0,5 = 1 m³ = 1000 litros • Volume do tanque C: VC = 2 ∙ 2 ∙ 1 = 4 m³ = 4000 litros. – Peso da água nos tanques: • Peso da água no tanque A: pA = 1000 kgf/m³ ∙ 2 m³ = 2000 kgf • Peso da água no tanque B: pB = 1000 kgf/m³ ∙ 1 m³ = 1000 kgf • Peso da água no tanque C: pC = 1000 kgf/m³ ∙ 4 m³ = 4000 kgf. – Pressão no fundo dos tanques • Pressão no fundo do tanque A: PA = pA/AA = 2000 kgf / 1 m² = 2000 kgf/m² • Pressão no fundo do tanque B: PB = pB/AB = 1000 kgf / 0,5 m² = 2000 kgf/m² • Pressão no fundo do tanque C: PC = pC/AC = 4000 kgf / 2 m² = 2000 kgf/m². Prof. Saulo Garcia Campos. 35.

(36) 2 - Generalidades. • 2.4 Teorema de Stevin (cont.) – Conclui-se, portanto, que a pressão no fundo dos tanques possui o mesmo valor.. Prof. Saulo Garcia Campos. 36.

(37) 2 - Generalidades • 2.4 Teorema de Stevin (cont.) – Demonstração matemática do conceito do Teorema de Stevin – P = Força / Área = Peso (p) / Área (A) – γ = p / V  p = γ ∙ V (Peso = Peso específico ∙ Volume) – P=γ∙V/A – Mas, V = A ∙ h (Volume = Área ∙ Altura) – P=γ∙A∙h/AP=γ∙h – Conclui-se, portanto, que a pressão no fundo dos tanques possui o mesmo valor. Esta expressão é chamada de carga de pressão, sendo dada pelo Teorema de Stevin. – Esta expressão é muito importante em instrumentação, na medição de nível de tanques. Ela simplifica os cálculos porque, para determinar-se a pressão, basta apenas o peso específico do líquido e da altura da coluna líquida.. Prof. Saulo Garcia Campos. 37.

(38) 2 - Generalidades • 2.4 Teorema de Stevin (cont.) – Demonstração matemática do conceito do Teorema de Stevin – Uma variação do Teorema de Stevin é a seguinte: ΔP = dr ∙ h – onde dr é a densidade relativa. – No entanto, a unidade de medida de pressão quando se usa essa fórmula é a unidade de medida da altura h em coluna de água (ca), independente do líquido ou do valor de seu peso específico. – Ou seja, se h for em metros, a unidade de pressão será metro de coluna de água (mca ou mH2O); se h for em polegadas, a unidade de pressão será a polegada de coluna de água (inca ou inH2O). Prof. Saulo Garcia Campos. 38.

(39) 2 - Generalidades. • 2.5 Princípio de Pascal – No século XVII, Pascal elaborou a lei que forma a base da hidráulica moderna: – “A pressão exercida em qualquer ponto por um líquido em forma estática, confinado, transmite-se integralmente em todas as direções e produz a mesma força em áreas iguais”.. Prof. Saulo Garcia Campos. 39.

(40) 2 - Generalidades. • 2.5 Princípio de Pascal (cont.) – Esse princípio é a base da hidráulica. Na hidráulica utilizam-se fluidos incompreensíveis; assim, a força mecânica desenvolvida em um fluido pode ser transmitida, multiplicada ou controlada. – As máquinas hidráulicas utilizadas para calibração de instrumentos, os servomecanismos, os controles hidráulicos, as prensas hidráulicas, etc., foram desenvolvidas utilizando o Princípio de Pascal.. Prof. Saulo Garcia Campos. 40.

(41) 2 - Generalidades. • 2.5 Princípio de Pascal (cont.) – Podemos demonstrar este princípio utilizando uma esfera oca, provida de vários orifícios, distribuídos em vários pontos de sua superfície, em um desses orifícios temos acoplado um cilindro dentro do qual podemos deslocar um êmbolo.. Prof. Saulo Garcia Campos. 41.

(42) 2 - Generalidades. • 2.5 Princípio de Pascal (cont.) – Exercendo-se uma pressão adequada no êmbolo, veremos que os jatos de líquido que saem pelos orifícios são iguais. – Isso significa que a pressão exercida é igual em todos os orifícios. – Podemos considerar os fluídos praticamente incompreensíveis; a força mecânica desenvolvida em um fluido sob pressão pode ser transmitida, multiplicada ou controlada.. Prof. Saulo Garcia Campos. 42.

(43) 2 - Generalidades • 2.5 Princípio de Pascal (cont.) – Na prensa hidráulica abaixo, demonstra a aplicação do princípio de pascal. O pistão 2 se movimentará mais lento que o pistão 1, em razão da diferença de áreas.. Prof. Saulo Garcia Campos. 43.

(44) 3 - Elementos Mecânicos para Medição de Pressão. Prof. Saulo Garcia Campos. 44.

(45) 3 - Elementos Mecânicos para Medição. • Os elementos ou dispositivos mecânicos para medição de pressão se dividem em dois grupos básicos: – Elementos Mecânicos de Medição direta de Pressão; – Elementos Mecânicos Elásticos de Medição de Pressão (deformação de sólidos).. Prof. Saulo Garcia Campos. 45.

(46) 3 - Elementos Mecânicos para Medição • 3.1 Elementos Mecânicos de Medição Direta de Pressão – São dispositivos nos quais a pressão é medida, comparando-a com a pressão exercida por uma coluna de líquido com densidade e altura conhecida (manômetro de tubo em “U”, manômetro de tubo inclinado, etc). – Neste tipo de instrumento, o líquido a ser utilizado é escolhido considerando seu peso específico (γ) e o valor da pressão a ser medida. – Normalmente, utilizam-se os seguintes líquidos nestes instrumentos: • Água (γ = 1 gf/cm³); • Álcool (γ = 0,8 gf/cm³); • Mercúrio (γ = 13,6 gf/cm³);. Prof. Saulo Garcia Campos. 46.

(47) 3 - Elementos Mecânicos para Medição – 3.1.a Manômetro de Tubo em “U”. Prof. Saulo Garcia Campos. 47.

(48) 3 - Elementos Mecânicos para Medição – 3.1.a Manômetro de Tubo em “U” • É o mais simples e mais barato dos instrumentos de medição direta de baixas pressões. • Formado por um tubo de material transparente, dobrado em forma de “U”, fixado sobre uma placa graduada a partir do seu ponto médio. O tubo é cheio, até seu ponto médio, com um líquido com peso específico conhecido (água, álcool, mercúrio, etc.) • As leituras são feitas medindo-se a diferença de nível do líquido, nos dois braços do manômetro. • Esta medição pode ser feita em mm de coluna d’água, mm de coluna de mercúrio, psi, etc. Prof. Saulo Garcia Campos. 48.

(49) 3 - Elementos Mecânicos para Medição – 3.1.a Manômetro de Tubo em “U” (cont.). P=γ∙h onde: – h = diferença de nível entre os dois braços do tubo em U; – γ = peso específico do líquido utilizado; – P = pressão medida.. Prof. Saulo Garcia Campos. 49.

(50) 3 - Elementos Mecânicos para Medição – 3.1.b Manômetro de Tubo em “U” com Diâmetros Diferentes (ou de Coluna Reta). Prof. Saulo Garcia Campos. 50.

(51) 3 - Elementos Mecânicos para Medição – 3.1.b Manômetro de Tubo em “U” com Diâmetros Diferentes (ou de Coluna Reta) • O emprego do manômetro de tubo em “U” com diâmetros idênticos é muito simples, o problema é necessitar-se fazer a leitura da diferença entre os níveis para se obter o valor da pressão. • Se utilizar-se dois tubos com diâmetros diferentes, para uma mesma pressão, a variação de nível do tubo que está em contato com o fluido diminui à medida que seu diâmetro aumenta.. Prof. Saulo Garcia Campos. 51.

(52) 3 - Elementos Mecânicos para Medição – 3.1.b Manômetro de Tubo em “U” com Diâmetros Diferentes (ou de Coluna Reta) • Suponhamos, como exemplo, um tudo em “U”, cujos diâmetros dos tubos sejam, respectivamente, D e d. Nesse caso, a equação de equilíbrio é dada pela seguinte fórmula:. P = γ ∙ h ∙ (1 + d²/D²). Prof. Saulo Garcia Campos. 52.

(53) 3 - Elementos Mecânicos para Medição – 3.1.b Manômetro de Tubo em “U” com Diâmetros Diferentes (ou de Coluna Reta). Prof. Saulo Garcia Campos. 53.

(54) 3 - Elementos Mecânicos para Medição – 3.1.b Manômetro de Tubo em “U” com Diâmetros Diferentes (ou de Coluna Reta) • Os instrumentos desse tipo, geralmente, possuem uma escala de leitura que leva em consideração o deslocamento do zero, ou seja, a escala já considera/corrige o fator (1 + d²/D²), possibilitando, assim, a leitura direta e precisa da pressão na escala existente no tubo de menor diâmetro (d). • Estes instrumentos exigem a utilização de tubos rigorosamente calibrados.. Prof. Saulo Garcia Campos. 54.

(55) 3 - Elementos Mecânicos para Medição – 3.1.c Manômetro de Tubo Inclinado (ou Coluna Inclinada). Prof. Saulo Garcia Campos. 55.

(56) 3 - Elementos Mecânicos para Medição – 3.1.c Manômetro de Tubo Inclinado (ou Coluna Inclinada) • O princípio de funcionamento deste tipo é o mesmo que aquele de tubo em “U” com diâmetros diferentes. • Nesse caso, o tubo de pequeno diâmetro (d) é inclinado com um certo ângulo α, de maneira a obter-se um grande deslocamento do líquido no tubo inclinado, mesmo no caso de medição de pressões muito pequenas.. Prof. Saulo Garcia Campos. 56.

(57) 3 - Elementos Mecânicos para Medição – 3.1.c Manômetro de Tubo Inclinado (ou Coluna Inclinada) • Este instrumento permite medir pressões de ordem de 0,02 mmH2O. • Neste tipo de manômetro, é necessário se trabalhar com o instrumento perfeitamente nivelado e deve-se evitar que ele seja submetido a vibrações.. Prof. Saulo Garcia Campos. 57.

(58) 3 - Elementos Mecânicos para Medição – 3.1.c Manômetro de Tubo Inclinado (ou Coluna Inclinada) • A equação de equilíbrio do manômetro de tubo inclinado é dada pela fórmula:. P = γ ∙ h ∙ (1 + d²/D²) ∙ sen α • Esta equação demonstra que, para uma pressão determinada, quanto menor for o ângulo α maior será o deslocamento do líquido no tubo inclinado, pois o valor de sem será tanto menor quanto menor for o ângulo α. Prof. Saulo Garcia Campos. 58.

(59) 3 - Elementos Mecânicos para Medição – 3.1.c Manômetro de Tubo Inclinado (ou Coluna Inclinada). Prof. Saulo Garcia Campos. 59.

(60) 3 - Elementos Mecânicos para Medição • 3.2 Elementos Mecânicos Elásticos de Medição de Pressão – São dispositivos (diafragma, fole, tubo bourdon, elemento espiral, elemento helicoidal, etc.) que se deformam em função da pressão exercida sobre eles pelo fluido medido. – Estes dispositivos baseiam seu funcionamento na Lei de Hooke, cujo enunciado é o seguinte: – “Dentro de um limite definido de elasticidade, a deformação provocada em um corpo sólido é proporcional ao esforço aplicado sobre ele”.. Prof. Saulo Garcia Campos. 60.

(61) 3 - Elementos Mecânicos para Medição. • 3.2 Elementos Mecânicos Elásticos de Medição de Pressão – Os três tipos básicos de elementos elásticos, utilizados como sensores em instrumentos medidores de pressão e que têm seu princípio de funcionamento baseado na Lei de Hooke, são: • Diafragmas; • Foles; • Tubos Bourdon.. Prof. Saulo Garcia Campos. 61.

(62) 3 - Elementos Mecânicos para Medição • 3.2 Elementos Mecânicos Elásticos de Medição de Pressão Elemento. Aplicação. Atuação mínima. Atuação máxima. Diafragma. Pressão Vácuo. 0 a 5 mmH2O -5 a 0 mmH2O 5 mmH2O. 0 a 400 psi -76 a 0 cmHg. 0 a 130 mmH2O -130 a 0 mmH2O 130 mmH2O. 0 a 800 psi -76 a 0 cmHg. 0 a 12 psi -76 a 0 cmHg 12 psi. 0 a 100.000 psi. Abrangendo faixa de vácuo e pressão. Pressão Vácuo. Fole. Abrangendo faixa de vácuo e pressão. Pressão Vácuo. Bourdon. Abrangendo faixa de vácuo e pressão. Prof. Saulo Garcia Campos. 62.

(63) 3 - Elementos Mecânicos para Medição – 3.2.a Diafragmas • Nos medidores de pressão industriais utilizando elementos primários elásticos, são utilizados dois tipos básicos de diafragmas: – Metálicos; – Não metálicos.. • Nos diafragmas metálicos, a pressão é medida com base na deflexão do próprio diafragma. • No caso dos diafragmas não metálicos, eles geralmente são instalados em oposição a uma mola calibrada ou outro elemento elástico. Este tipo de diafragma é utilizado apenas com a função de conter a pressão/fluido do processo e transmitir a força resultante ao elemento primário elástico ou mola. Prof. Saulo Garcia Campos. 63.

(64) 3 - Elementos Mecânicos para Medição – 3.2.a Diafragmas (cont.). Prof. Saulo Garcia Campos. 64.

(65) 3 - Elementos Mecânicos para Medição – 3.2.a Diafragmas (cont.) • 3.2.a.1 Diafragmas Metálicos • O diafragma metálico é um dispositivo primário elástico, geralmente utilizado para medir pressões relativamente baixas. • Este dispositivo geralmente consiste de um diafragma simples de lâmina de metal corrugado ou de uma ou mais cápsulas soldada entre si, de forma que cada uma das cápsulas deflexione à medida que a pressão é aplicada.. Prof. Saulo Garcia Campos. 65.

(66) 3 - Elementos Mecânicos para Medição – 3.2.a Diafragmas (cont.) • 3.2.a.1 Diafragmas Metálicos (cont.) • A deflexão total será a soma da deflexão de todas as cápsulas. • As cápsulas são compostas de duas lâminas em forma de concha, soldadas entre si. • Existem diversos tipos de materiais que podem ser utilizados na confecção de diafragmas metálicos e os mais utilizados são latão, bronze-fosforoso, cobre-berílio, aço inoxidável, monel, hastelloy, etc.. Prof. Saulo Garcia Campos. 66.

(67) 3 - Elementos Mecânicos para Medição – 3.2.a Diafragmas (cont.) • 3.2.a.1 Diafragmas Metálicos (cont.). Prof. Saulo Garcia Campos. 67.

(68) 3 - Elementos Mecânicos para Medição – 3.2.a Diafragmas (cont.) • 3.2.a.1 Diafragmas Metálicos (cont.) • A deflexão de uma concha de diafragma metálico depende dos seguintes fatores: – – – – – –. Prof. Saulo Garcia Campos. diâmetro da concha; espessura do metal utilizado; tipo de corrugações; número de corrugações; módulo de elasticidade do material utilizado; pressão aplicada.. 68.

(69) 3 - Elementos Mecânicos para Medição – 3.2.a Diafragmas (cont.) • 3.2.a.1 Diafragmas Metálicos (cont.) • Na confecção de um elemento de diafragma, os elementos acima são levados em conta, no sentido de se obter uma deflexão que tenha a relação mais linear possível com a pressão aplicada. • A sensibilidade de um elemento de diafragma pode ser melhorada, aumentando-se o número de corrugações e diminuindo-se a sua altura, havendo, entretanto, um sacrifício da linearidade. A máxima sensibilidade para pequena deflexão é obtida utilizando-se um diafragma liso, sem corrugações.. Prof. Saulo Garcia Campos. 69.

(70) 3 - Elementos Mecânicos para Medição – 3.2.a Diafragmas (cont.) • 3.2.a.1 Diafragmas Metálicos (cont.). Prof. Saulo Garcia Campos. 70.

(71) 3 - Elementos Mecânicos para Medição – 3.2.a Diafragmas (cont.) • 3.2.a.2 Diafragmas não Metálicos • Os diafragmas não metálicos são conectados ao processo em que se quer medir / controlar a pressão e se movem atuando em oposição a uma mola calibrada ou algum outro elástico. • Os materiais não metálicos usualmente utilizados na confecção de diafragmas são teflon, neoprene, polietileno, etc.. Prof. Saulo Garcia Campos. 71.

(72) 3 - Elementos Mecânicos para Medição – 3.2.a Diafragmas (cont.) • 3.2.a.2 Diafragmas não Metálicos (cont.). Prof. Saulo Garcia Campos. 72.

(73) 3 - Elementos Mecânicos para Medição – 3.2.b Foles. Prof. Saulo Garcia Campos. 73.

(74) 3 - Elementos Mecânicos para Medição – 3.2.b Foles • Os foles são elementos elásticos que sofrem expansão e retração quando submetidos a pressões, sendo o movimento resultante utilizado para indicar/medir/controlar pressão. • Os foles, geralmente são confeccionados através de estrangulamentos axiais sucessivos, aplicados a um tubo metálico de parede fina e sem costura. Os materiais mais utilizados na confecção de foles são latão, bronze-fosforoso, cobre-berílio, monel e aço inoxidável.. Prof. Saulo Garcia Campos. 74.

(75) 3 - Elementos Mecânicos para Medição – 3.2.b Foles • A escolha do material a ser utilizado é feita considerando-se a pressão a ser medida/controlada e as condições de corrosão a que o fole estará exposto. • Visando-se uma maior vida útil, geralmente utilizase uma mola em oposição ao fole e, com isso, utiliza-se apenas uma parte do deslocamento máximo do fole e evita-se sua deformação.. Prof. Saulo Garcia Campos. 75.

(76) 3 - Elementos Mecânicos para Medição – 3.2.c Tubos de Bourdon • Os tubos de Bourdon geralmente são compostos de um tubo com seção oval, disposto na forma de arco de circunferência, tendo uma de suas extremidades fechadas e conectadas ao dispositivo de indicação/transmissão ou controle do instrumento e a outra extremidade aberta e conectada ao processo cuja pressão será medida. • Com a pressão agindo no interior do tubo de Bourdon, ocorre um movimento em sua extremidade fechada; esse movimento é transmitido através de engrenagens a um ponteiro ou mecanismo que, por sua vez, irá indica/ transmitir a medida de pressão.. Prof. Saulo Garcia Campos. 76.

(77) 3 - Elementos Mecânicos para Medição – 3.2.c Tubos de Bourdon • Este dispositivo foi patenteado em 1852 por E. Bourdon. • Os tubos Bourdon podem ser fabricados nos seguintes tipos/formas: C, espiral e helicoidal.. Prof. Saulo Garcia Campos. 77.

(78) 3 - Elementos Mecânicos para Medição – 3.2.c Tubos de Bourdon • 3.2.c.1 Manômetro de Bourdon em C • Consiste de um tubo metálico de paredes finas, achatado para formar uma seção elíptica e encurvado para formar um segmento de círculo. • Uma extremidade acha-se adaptada para a ligação com a fonte de pressão, a outra está selada e pode-se movimentar livremente.. Prof. Saulo Garcia Campos. 78.

(79) 3 - Elementos Mecânicos para Medição – 3.2.c Tubos de Bourdon • 3.2.c.1 Manômetro de Bourdon em C • A pressão do tubo atua sobre a seção elíptica, forçando-a a assumir a forma circular, ao mesmo tempo em que o tubo encurvado tende a desenrolar. • Por serem estes movimentos muito pequenos, são amplificados por um dispositivo formado por uma coroa e um pinhão, o suficiente para girar o eixo de um ponteiro em redor de uma escala graduada, calibrada em unidades de pressão.. Prof. Saulo Garcia Campos. 79.

(80) 3 - Elementos Mecânicos para Medição – 3.2.c Tubos de Bourdon • 3.2.c.1 Manômetro de Bourdon em C. Prof. Saulo Garcia Campos. 80.

(81) 3 - Elementos Mecânicos para Medição – 3.2.c Tubos de Bourdon • 3.2.c.1 Manômetro de Bourdon em C. Chave de Pressão (pressostato) utilizando Bourdon tipo C. Prof. Saulo Garcia Campos. 81.

(82) 3 - Elementos Mecânicos para Medição – 3.2.c Tubos de Bourdon • 3.2.c.2 Manômetro de Bourdon Espiral • Estes manômetros utilizam um tudo de Bourdon achatado formando uma espiral com diversas voltas. • Com a pressão aplicada a extremidade aberta, a espiral tende a desenrolar transmitindo um movimento grande à extremidade livre. • Por meio de uma ligação simples o movimento é transferido ao braço de um ponteiro, não havendo necessidade de coroa e de pinhão, como no caso anterior.. Prof. Saulo Garcia Campos. 82.

(83) 3 - Elementos Mecânicos para Medição – 3.2.c Tubos de Bourdon • 3.2.c.3 Manômetro de Bourdon Helicoidal • É similar ao tipo espiral, sendo que o tubo achatado de Bourdon é enrolado em forma de hélice com quatro a cinco voltas completas. • O Bourdon helicoidal é usado para registradores de temperatura e pressão.. Prof. Saulo Garcia Campos. 83.

(84) 3 - Elementos Mecânicos para Medição – 3.2.c Tubos de Bourdon • Fatores de Erro em Medições Utilizando Tubo Bourdon • As variações na temperatura ambiente são responsáveis por alterações na deflexão do tubo Bourdon. • A maioria dos materiais elásticos tem seu módulo de elasticidade diminuído com a temperatura. • O erro introduzido pela temperatura em um tubo Bourdon é dado por: E = 0,02 ∙ T ∙ P/Ps • Onde: – – – –. Prof. Saulo Garcia Campos. E = erro porcentual do Bourdon; T = variação de temperatura sofrida pelo Bourdon; P = pressão aplicada; Ps = alcance de pressão do Bourdon;. 84.

(85) 3 - Elementos Mecânicos para Medição – 3.2.c Tubos de Bourdon • Fatores de Erro em Medições Utilizando Tubo Bourdon • Este erro pode ser compensado utilizando-se um bimetal, conforme figura abaixo.. Prof. Saulo Garcia Campos. 85.

(86) 3 - Elementos Mecânicos para Medição – 3.2.d Utilização de Elementos Mecânicos Elásticos na Medição de Pressão de Fluidos Corrosivos e/ou Viscosos • No caso de medição de pressão efetuada em linhas de determinados fluidos de processo, tornase necessário impedir o contato do fluido com o elemento de medição. • Esta necessidade poderá ocorrer em virtude da natureza corrosiva do fluido, cuja corrosividade poderia afetar o elemento de medição ou, ainda, em virtude da alta viscosidade do fluido, que poderia levar ao seu endurecimento dentro do elemento de medição, falseando a medida indicada.. Prof. Saulo Garcia Campos. 86.

(87) 3 - Elementos Mecânicos para Medição – 3.2.d Utilização de Elementos Mecânicos Elásticos na Medição de Pressão de Fluidos Corrosivos e/ou Viscosos • Para eliminar este problema, são utilizados selos de proteção, os quais podem ser feitos com líquido de menor ou maior densidade que aquele cuja pressão se deseja medir, ou através da utilização de uma membrana / diafragma instalada entre o fluido do processo e o elemento de medição. • Os líquidos normalmente utilizados para selagem são: – – – – –. Prof. Saulo Garcia Campos. glicerina; mistura de glicerina e água; mistura de etileno-glicol e água; m-xileno; querosene.. 87.

(88) 3 - Elementos Mecânicos para Medição – 3.2.d Utilização de Elementos Mecânicos Elásticos na Medição de Pressão de Fluidos Corrosivos e/ou Viscosos. Selos Líquidos Prof. Saulo Garcia Campos. 88.

(89) 3 - Elementos Mecânicos para Medição – 3.2.d Utilização de Elementos Mecânicos Elásticos na Medição de Pressão de Fluidos Corrosivos e/ou Viscosos. Selo tipo Diafragma Flangeado Prof. Saulo Garcia Campos. 89.

(90) 4 - Transmissores de Pressão. Prof. Saulo Garcia Campos. 90.

(91) 4 - Transmissores de Pressão • Basicamente, os instrumentos transmissores de pressão podem ser classificados em pneumáticos e eletrônicos. • Os dois tipos de transmissores baseiam seu funcionamento no movimento / deformação que os elementos mecânicos elásticos (deformação de sólidos) sofrem quando submetidos a uma pressão/esforço. • Este movimento / deformação, que é proporcional à pressão aplicada (lei de Hooke), é convertido através de um transdutor em um sinal pneumático ou eletrônico padronizado, que é enviado / transmitido para indicação e / ou controle à distância. Prof. Saulo Garcia Campos. 91.

(92) 4 - Transmissores de Pressão • 4.1 Transmissores Pneumáticos de Pressão – Os transmissores e os demais instrumentos pneumáticos utilizam como transdutores o sistema bocal-obturador ou bico-palheta. – No caso dos transmissores pneumáticos de pressão, o sistema bocal-obturador converte o movimento / deformação do elemento mecânico elástico em um sinal pneumático. – O sistema bocal-obturador é composto de um tubo pneumático alimentado por uma pressão constante Os, uma redução R’ na entrada do suprimento de ar, uma redução Rv em forma de bocal na saída do ar e uma lâmina (obturador ou palheta) que pode obstruir o bocal ou bico e cuja posição depende da pressão exercida pelo processo sobre o elemento mecânico elástico de medição.. Prof. Saulo Garcia Campos. 92.

(93) 4 - Transmissores de Pressão • 4.1 Transmissores Pneumáticos de Pressão – A restrição R’ tem um diâmetro aproximadamente quatro vezes menor que o da restrição Rv. – O ar de alimentação com pressão Os padronizada em 1,4 kgf/cm², passa pela restrição R’ e enche o reservatório V, escapando, a seguir, para a atmosfera através do bocal Rv. – A quantidade de ar que sai pelo bocal Rv depende da posição do obturador, ou seja, depende da distância “x” existente entre o bocal e o obturador. – Devido ao escape de ar, o volume V e o bocal ficam a uma pressão P1, intermediária entre Os e a pressão atmosférica. Prof. Saulo Garcia Campos. 93.

(94) 4 - Transmissores de Pressão. • 4.1 Transmissores Pneumáticos de Pressão. Transdutor tipo bocal-obturador (bico-palheta). Prof. Saulo Garcia Campos. 94.

(95) 4 - Transmissores de Pressão – 4.1.a Transmissores Pneumáticos de Pressão Tipo Equilíbrio de Forças • O transmissor pneumático usualmente utilizado em aplicações industriais de medição de pressão, é o transmissor tipo equilíbrio de forças, com elemento primário mecânico elástico e transdutor tipo bocal-obturador ou bico-palheta. • Neste tipo de instrumento, a pressão do processo movimento / deforma o elemento metálico elástico de medição (diafragma). Este movimento / deformação é transmitido à barra de força ou alavanca transmissora por intermédio da lâmina de articulação. Prof. Saulo Garcia Campos. 95.

(96) 4 - Transmissores de Pressão – 4.1.a Transmissores Pneumáticos de Pressão Tipo Equilíbrio de Forças • A alavanca transmissora ou barra de força é acoplada ao diafragma de selagem que também funciona como seu ponto de apoio. • Através do conjunto de lâminas flexionadoras, esta alavanca se une a uma outra alavanca denominada alavanca de faixa, cujo ponto de apoio é o ajuste de faixa.. Prof. Saulo Garcia Campos. 96.

(97) 4 - Transmissores de Pressão – 4.1.a Transmissores Pneumáticos de Pressão Tipo Equilíbrio de Forças • A alavanca de faixa é solidária ao obturador ou palheta. Assim, qualquer movimento transmitido à barra de força ou alavanca transmissora é sentido pelo instrumento através da variação do distanciamento entre bocal-obturador (bicopalheta), que, por sua vez, varia a pressão no relé amplificador pneumático, que, em conseqüência, varia as pressões de saída do instrumento e do seu fole de realimentação.. Prof. Saulo Garcia Campos. 97.

(98) 4 - Transmissores de Pressão – 4.1.a Transmissores Pneumáticos de Pressão Tipo Equilíbrio de Forças • Qualquer variação ocorrida no sistema só cessará quando for encontrado o equilíbrio entre as resultantes das forças que atuam no fole de alimentação e na cápsula sensora de pressão (diafragma). • Assim que estiver estabelecido este equilíbrio, estará determinado o valor do sinal de saída do transmissor (faixa de 0,2 a 1,0 kgf/cm²), assegurando-se, dessa forma, proporcionalidade entre o sinal de saída e a pressão do processo medida pelo transmissor naquele momento. Prof. Saulo Garcia Campos. 98.

(99) 4 - Transmissores de Pressão – 4.1.a Transmissores Pneumáticos de Pressão Tipo Equilíbrio de Forças • O sinal de saída do instrumento é transmitido para um receptor pneumático de faixa compatível, seja para fins de indicação, registro ou controle.. Prof. Saulo Garcia Campos. 99.

(100) 4 - Transmissores de Pressão – 4.1.a Transmissores Pneumáticos de Pressão Tipo Equilíbrio de Forças. Prof. Saulo Garcia Campos. 100.

(101) 4 - Transmissores de Pressão • 4.2 Transmissores Eletrônicos de Pressão – Os transmissores eletrônicos de pressão utilizam um elemento primário mecânico elástico, combinado com um transdutor elétrico, que gera um sinal elétrico padronizado, correspondente à pressão medida. – O elemento primário mecânico elástico que pode ser diafragma, tubo Bourdon, espiral, helicoidal, fole ou combinação destes elementos, é conectado ao processo e se movimenta/deforma/desloca em função da pressão do processo aplicada sobre ele. – Este movimento é enviado ao transdutor elétrico do transmissor, através de um sistema adequado, que o converte em um sinal eletrônico padronizado de saída (4 a 20 mAcc).. Prof. Saulo Garcia Campos. 101.

(102) 4 - Transmissores de Pressão • 4.2 Transmissores Eletrônicos de Pressão – Em função de seu princípio de funcionamento, os transmissores eletrônicos de pressão podem ser classificados nos seguintes tipos: • • • • • •. equilíbrio de forças; resistivo; magnéticos; capacitivos; extensométricos; piezoelétricos.. – Sendo mais usualmente utilizados em aplicações industriais de medição de pressão os tipos equilíbrio e forças, extensométricos e capacitivo.. Prof. Saulo Garcia Campos. 102.

(103) 4 - Transmissores de Pressão – 4.2.a Transmissores Eletrônicos de Pressão Tipo Equilíbrio de Forças • Este tipo de instrumento funciona de maneira análoga ao transmissor pneumático (4.1.a). • Neste caso, a pressão do processo, aplicada no elemento metálico elástico (fole), movimenta / deforma-o; este movimento é transmitido à barra de força ou alavanca transmissora por intermédio da lâmina de articulação. • A barra de força ou alavanca transmissora é acoplada ao diafragma de selagem que também funciona como seu ponto de apoio (pivô).. Prof. Saulo Garcia Campos. 103.

(104) 4 - Transmissores de Pressão – 4.2.a Transmissores Eletrônicos de Pressão Tipo Equilíbrio de Forças • Esta força é transmitida ao disco de rearme, através da alavanca de deflexão, aproximando o disco de rearme ao detector. • Esta aproximação gera um aumento da indutância, com um conseqüente aumento no consumo de corrente e um aumento no sinal de saída do detector. • Paralelamente á aproximação do disco de rearme, acontece o afastamento da bobina de realimentação do ímã permanente; ao mesmo tempo, o sinal de saída do detector é amplificado e retificado na unidade amplificadora, resultando no sinal de saída do transmissor (4 a 20 mAcc). Prof. Saulo Garcia Campos. 104.

(105) 4 - Transmissores de Pressão – 4.2.a Transmissores Eletrônicos de Pressão Tipo Equilíbrio de Forças • Este sinal também é aplicado na bobina de realimentação, aumentando a força para equilíbrio do sistema. • Esta força age sobre o braço de rearme, em sentido contrário à variação do sinal anterior, afastando o disco de rearme do detector; deste modo, o sistema atinge um novo equilíbrio, com o sinal de saída do transmissor ficando proporcional ao valor da pressão de medida naquele momento. • O sinal de saída do instrumento é transmitido para um receptor eletrônico de faixa compatível, seja para fins de indicação, registro ou controle.. Prof. Saulo Garcia Campos. 105.

(106) 4 - Transmissores de Pressão – 4.2.a Transmissores Eletrônicos de Pressão Tipo Equilíbrio de Forças. Prof. Saulo Garcia Campos. 106.

(107) 4 - Transmissores de Pressão – 4.2.b Transmissores Eletrônicos de Pressão Tipo Extensométricos (Strain Gage) • Este tipo de instrumento tem o funcionamento de seu transdutor baseado na variação de comprimento e diâmetro, e, portanto, na variação da resistência, que ocorre quando um fio de resistência sofre uma deformação elástica proveniente de uma tensão mecânica gerada por uma pressão. • Neste tipo de instrumento, a pressão do processo atua no elemento mecânico elástico (diafragma) que se movimenta/deforma e, em conseqüência, movimenta a alavanca onde estão instalados os sensores strain gage, esticando-os ou comprimindo-os de acordo com a pressão do processo e a disposição que o fabricante tenha adotado para sua instalação.. Prof. Saulo Garcia Campos. 107.

(108) 4 - Transmissores de Pressão – 4.2.b Transmissores Eletrônicos de Pressão Tipo Extensométricos (Strain Gage) • Os sensores strain gage podem ser colocados diretamente na superfície do elemento elástico cuja deformação deve ser medida, ou podem ser instalados entre um quadro fixo e uma armadura que se moverá em função das variações de pressão e atuará deformando os sensores. • O strain gage colado, além de apresentar grande estabilidade, é mais preciso e tem boa repetibilidade, por isto, esta é a forma mais utilizada idustrialmente. • Os strain gage (extensômetros) fazem parte de uma ponte de Wheatstone, na qual se aplica uma tensão, de forma que a pequena corrente que circula pelas resistências ocasione uma queda de tensão e a ponte se equilibre para estas condições.. Prof. Saulo Garcia Campos. 108.

(109) 4 - Transmissores de Pressão – 4.2.b Transmissores Eletrônicos de Pressão Tipo Extensométricos (Strain Gage) • Neste sistema, qualquer variação na pressão do processo moverá o diafragma metálico, que, por sua vez, variará a posição da alavanca e, em conseqüência, variará a resistência dos sensores strain gage, desequilibrando a ponte e fazendo variar o sinal de saída do instrumento (4 a 20 mAcc). • Na ponte com dois braços ativos, o elemento sensor que funciona como medidor fica montado na parte deformada do dispositivo, enquanto o elemento utilizado para comparação fica montado na parte não deformada. Com este arranjo, obtém-se a compensação da expansão térmica dos suportes e da modificação da resistência dos elementos, em conseqüência das alterações da temperatura. • Na ponte com quatro braços ativos, dois elementos sensores são montados de modo a serem tensionados pelo aumento de pressão e os outros dois são montados em compressão, ou sem qualquer tensão. Esta configuração aumenta a sensibilidade do transdutor e mantém a característica de compensação de temperatura.. Prof. Saulo Garcia Campos. 109.

(110) 4 - Transmissores de Pressão – 4.2.b Transmissores Eletrônicos de Pressão Tipo Extensométricos (Strain Gage). Prof. Saulo Garcia Campos. 110.

(111) 4 - Transmissores de Pressão – 4.2.b Transmissores Eletrônicos de Pressão Tipo Extensométricos (Strain Gage). R = (ρ.L) / A. Prof. Saulo Garcia Campos. 111.

(112) 4 - Transmissores de Pressão – 4.2.b Transmissores Eletrônicos de Pressão Tipo Extensométricos (Strain Gage). Prof. Saulo Garcia Campos. 112.

(113) 4 - Transmissores de Pressão – 4.2.c Transmissores Eletrônicos de Pressão 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 instrumento tem seu funcionamento baseado na variação de capacitância que se introduz em um capacitor quando se desloca uma de suas placas em conseqüência de aplicação de pressão. • Neste instrumento, a pressão de processo é transmitida através do movimento/deslocamento do elemento mecânico elástico (diafragma isolador), cujo interior é cheio de óleo silicone, para o diafragma sensor localizado no centro da célula. • A pressão atmosférica de referência é transmitida da mesma maneira pelo segundo diafragma isolador para o outro lado do diafragma sensor.. Prof. Saulo Garcia Campos. 113.

(114) 4 - Transmissores de Pressão – 4.2.c Transmissores Eletrônicos de Pressão Tipo Capacitivo • O deslocamento do diafragma sensor (o movimento máximo é da ordem de 0,004 polegada) é proporcional ao diferencial de pressão aplicado sobre ele e que, por sua vez, variará em função da pressão aplicada nos diafragmas isoladores. • A posição do diafragma sensor (placa móvel) é detectada pelas placas do capacitor colocados nos dois lados do diafragma sensor. O valor da capacitância diferencial existente entre o diafragma sensor e as placas do capacitor (aproximadamente 150 pf) é convertido eletronicamente, resultando no sinal de saída do transmissor (4 a 20 mAcc), que é transmitido para um receptor eletrônico para fins de indicação, registro e/ou controle.. Prof. Saulo Garcia Campos. 114.

(115) 4 - Transmissores de Pressão – 4.2.c Transmissores Eletrônicos de Pressão Tipo Capacitivo. Tubos Capilares Placas do Capacitor Diafragma Sensor Vidro Fluido de Enchimento Diafragma de Processo. Prof. Saulo Garcia Campos. 115.

(116) 4 - Transmissores de Pressão – 4.2.d Transmissores Eletrônicos de Pressão Tipo Silício Ressonante • O sensor por silício ressonante consiste de uma cápsula de silício colocada estrategicamente em um diafragma, utilizando do diferencial de pressão para vibrar em maior ou menor intensidade, a fim de que essa freqüência seja proporcional a pressão aplicada.. Prof. Saulo Garcia Campos. 116.

(117) 4 - Transmissores de Pressão – 4.2.d Transmissores Eletrônicos de Pressão Tipo Silício Ressonante. Prof. Saulo Garcia Campos. 117.


(119) 4 - Transmissores de Pressão – 4.2.d Transmissores Eletrônicos de Pressão Tipo Silício Ressonante • O sensor possui um irmã permanente e o sensor de silício propriamente dito.. Prof. Saulo Garcia Campos. 119.

(120) 4 - Transmissores de Pressão – 4.2.d Transmissores Eletrônicos de Pressão Tipo Silício Ressonante • Dois fatores que irão influenciar na ressonância do sensor de silício, além das pressões exercidas sobre o sensor, são: – o campo magnético gerado por um imã permanente posicionado sobre o sensor; – o campo elétrico gerado por uma corrente em AC.. Prof. Saulo Garcia Campos. 120.


(122) 4 - Transmissores de Pressão – 4.2.d Transmissores Eletrônicos de Pressão Tipo Silício Ressonante • 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). • Por estarem localizadas em locais diferentes, porém, no mesmo encapsulamento, uma sofrerá uma compressão e a outra sofrerá uma tração conforme a aplicação de pressão sentida pelo diafragma. Prof. Saulo Garcia Campos. 122.

(123) 4 - Transmissores de Pressão – 4.2.d Transmissores Eletrônicos de Pressão Tipo Silício Ressonante • Desta maneira, os sensores possuirão uma diferença de freqüência entre si. Esta diferença pode ser sentida por um circuito eletrônico. Esta diferença de freqüência será proporcional ao ΔP aplicado.. Prof. Saulo Garcia Campos. 123.

(124) 4 - Transmissores de Pressão – 4.2.d Transmissores Eletrônicos de Pressão Tipo Silício Ressonante • Circuito eletrônico equivalente.. Prof. Saulo Garcia Campos. 124.

(125) 4 - Transmissores de Pressão – 4.2.d Transmissores Eletrônicos de Pressão Tipo Silício Ressonante • Através dessas informações é possível criar um gráfico referente aos pontos de operação da freqüência X pressão.. Prof. Saulo Garcia Campos. 125.


(127) 4 - Transmissores de Pressão – 4.2.e Transmissores Eletrônicos de Pressão 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, por 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 por segundo (MHz). Prof. Saulo Garcia Campos. 127.

(128) 4 - Transmissores de Pressão – 4.2.e Transmissores Eletrônicos de Pressão Tipo Piezoelétrico • 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, por isso é utilizado em relógios de precisão. • A carga devida à alteração de 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. Prof. Saulo Garcia Campos. 128.

(129) 4 - Transmissores de Pressão – 4.2.e Transmissores Eletrônicos de Pressão Tipo Piezoelétrico P DIAFRAGMA P. CRISTAL. _ _ _ _. + + + +. SAIDA Transdutor. CRISTAL. Efeito Piezoelétrico. Palheta (piezo) Bico Restrição removível. Pressão piloto. Suprimemento de ar Prof. Saulo Garcia Campos. 129.

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