MEDIDORES DE PRESSÃO
Bárbara Silveira Assis Caroline Priscilla de Oliveira
Flávio César Costa Juliene Corgozinho Ferreira
Marcone Campos Barreto Sílvia Santos de Castro
Thaís Oliveira Lopes
1 INTRODUÇÃO
No cotidiano, em laboratórios de engenharia e em processos industriais existe a necessidade de se medir variáveis como pressão, temperatura, vazão, nível, dentre outros. A pressão é definida como a distribuição de uma força sobre uma área. Ela pode ser medida de várias maneiras diferentes e o tipo de instrumento a ser utilizado para a medição de pressão vai depender dos níveis de precisão e detalhamento requeridos para a particular aplicação.
Este trabalho tem como finalidade fornecer um embasamento teórico sobre pressão e medição de pressão, bem como caracterizar alguns instrumentos de medição de pressão, e especificar alguns destes instrumentos disponíveis no comércio, seus funcionamentos e aplicações. Instrumentos estes que são indispensáveis às indústrias auxiliando no controle dos processos, garantindo a qualidade destes e dos produtos.
2 PRESSÃO E SUAS DEFINIÇÕES
A pressão é definida como a distribuição de uma força sobre uma área. Quando uma força é aplicada num objeto, a área sobre a qual a força é aplicada sofre pressão. Ou seja, é a relação entre uma força aplicada perpendicularmente a uma superfície de acordo com sua área.
A pressão atmosférica é a pressão exercida pelo ar atmosférico sobre a superfície da terra. Sua manifestação está diretamente relacionada à força da gravidade e à influência que essa realiza sobre as moléculas gasosas que compõem a atmosfera. Assim, a pressão atmosférica sofre variações conforme as altitudes e as condições de temperatura do ar (PENAS, 2015).
Segundo Penas (2015), em 1643 o matemático e físico italiano Evangelista Torricelli conseguiu determinar a medida da pressão atmosférica ao nível do mar. Com essa experiência defini-se que ao nível do mar 1 atm (uma atmosfera) é a pressão equivalente a exercida por uma coluna de 76cm de mercúrio, onde g = 9,8 m/s², portanto: 1 atm = 76 cmHg = 760 mmHg = 1,01.105 Pa (PENAS, 2015).
O instrumento utilizado para medir a pressão atmosférica de um dado local é o barômetro, que realiza a medição em mb (milibares). A pressão média da Terra é de 1013mb (TOFFOLI, 2015).
A pressão relativa positiva ou manométrica é a pressão medida em relação à pressão atmosférica, tomada como unidade de referência. É a diferença entre a pressão real ou absoluta e a pressão atmosférica. Ela é aplicada nos casos em que a pressão é superior à pressão atmosférica, ou seja, nos casos em que ela assume valor positivo.
Já a pressão relativa negativa ou vácuo, é quando um sistema tem pressão relativa menor que a pressão atmosférica. É a diferença entre a pressão real ou absoluta e a pressão atmosférica. Ela é aplicada nos casos em que assume valor negativo, ou seja, a pressão medida é inferior à pressão atmosférica.
A pressão absoluta é a soma da pressão relativa e da pressão atmosférica. Também se diz que é medida a partir do vácuo absoluto.
Os tipos de pressões citados acima podem ser ilustrados pelo diagrama comparativo das escalas de pressão, de acordo com a figura 1.
Figura 1: Diagrama comparativo das escalas de pressão Fonte: Viana (1999)
A pressão diferencial é o resultado da diferença de pressão entre dois pontos. Ou seja, é a pressão medida em qualquer ponto, menos no ponto zero de referência da pressão atmosférica.
A pressão estática é aquela exercida em um ponto, em fluidos estáticos, que é transmitida integralmente em todas as direções e produz a mesma força em áreas iguais. É o peso exercido por um líquido em repouso ou que esteja fluindo perpendicularmente a tomada de impulso. A pressão estática do processo é a pressão transmitida pelo fluido nas paredes da tubulação ou do vaso.
Já a pressão dinâmica ou cinética é aquela exercida por um fluído em movimento paralelo à sua corrente. É medida fazendo a tomada de impulso de tal forma que recebe o impacto do fluxo. A pressão dinâmica da tubulação é a pressão devida à velocidade do fluido.
A pressão total é a pressão resultante da somatória das pressões estáticas e dinâmicas exercidas por um fluido que se encontra em movimento. É obtida quando um fluido em movimento é desacelerado para a velocidade zero, em um processo sem atrito e sem compressão.
3 UNIDADES DE MEDIDAS
A pressão possui vários tipos de unidades. Os sistemas de unidade MKS, CGS, gravitacional e unidade do sistema de coluna de líquido são utilizados tendo como referência a pressão atmosférica e são escolhidas, dependendo da área de utilização, tipos de medida de pressão, faixa de medição, etc.
A unidade de pressão no Sistema Internacional (SI) é o Pascal (Pa), definido como uma força de 1 N aplicada a uma superfície de 1 m², portanto 1 Pa = 1 Nm². Outra unidade relacionada, usada algumas vezes para expressar pressão, é o bar, que é igual a 105 Pa. Em geral são utilizados para medição de pressão, as unidades Pa, N/m², kgf/cm², mHg, mH2O, lbf/pol2, Atm e bar.
A seleção da unidade é livre, mas geralmente deve-se escolher uma grandeza para que o valor medido possa estar na faixa de 0,1 a 1000. Assim, as sete unidades anteriormente mencionadas, além dos casos especiais, são necessárias e suficiente para cobrir as faixas de pressão utilizadas no campo da instrumentação industrial. Suas relações podem ser encontradas na tabela de conversão a seguir (Figura 2):
Figura 2: Tabelas de conversão das unidades de pressão Fonte: Viana (1999)
3 DISPOSITIVOS PARA MEDIÇÃO DE PRESSÃO
Uma diversidade de sensores e transdutores de pressão estão disponíveis comercialmente. Alguns critérios técnicos devem ser considerados durante a escolha de um dispositivo para medição de pressão.
O primeiro ponto a esclarecer é qual o tipo da pressão a ser medida, se absoluta, manométrica ou relativa. Depois os valores máximo e mínimo da faixa, a largura da faixa e finalmente o grau de precisão, a repetitividade, a rangeabilidade e outros parâmetros associados ao desempenho. A escolha do mecanismo básico de medição da pressão depende da aplicação do sistema – indicação local, indicação remota, controle, alarme, proteção.
Como o elemento sensor da pressão fica em contato direto com o processo ou a pressão entra no elemento sensor, é importante considerar a temperatura, o grau de corrosão, toxidez e sujeira do fluido do processo, para a escolha adequada do material de construção do elemento. Às vezes, deve-se usar o selo de pressão para isolar o fluido do processo do elemento sensor.
3.1 Manômetro tipo tubo de Bourdon
O manômetro tipo Bourdon é bastante utilizado em refrigeração e funciona baseado no seguinte princípio: um tubo de cobre, com propriedade elástica e em forma circular, também denominado tubo de Bourdon, ilustrado pela figura 3. O fluido que entra no tubo de Bourdon, por um orifício na haste de conexão, com a
elevação da pressão, faz com que o tubo altere seu formato e se expanda, arrastando consigo, por meio de uma mola, uma engrenagem rotativa, cujo movimento é transferido a um ponteiro.
Figura 3: Manômetro tipo Bourdon Fonte: Viana (1999)
A pressão aplicada pode, então, ser lida sobre uma escala convenientemente graduada. A pressão registrada por este instrumento é conhecida como pressão manométrica. Para se encontrar a pressão absoluta ou pressão verdadeira, é necessário adicionar a pressão atmosférica (determinada por meio de um barômetro) à pressão manométrica. contudo, Existe também os manômetros que indicam pressão abaixo da pressão atmosférica, que são denominados manovacuômetros, popularmente conhecidos como manômetros de baixa, onde são empregados os termos polegadas de vácuo.
3.2 Manômetro tipo membrana ou diafragma
Este tipo pertence ao grupo dos compressores de êmbolo com movimento linear. Mediante uma membrana, o êmbolo fica separado da câmara de sucção e compressão, quer dizer, o ar não terá contato com as partes deslizantes. O ar, portanto, ficará sempre livre de resíduos de óleo. De acordo com a figura 4:
Figura 4: Manômetro de diafragma Fonte: Viana (1999)
3.3 Manômetro tipo fole
Fole é um cilindro metálico, corrugado ou sanfonado. Este dispositivo Segundo Voges (2010) possui rugas no círculo exterior que, ao se aplicar pressões no sentido do eixo se expando ou se contrai. As desvantagens do fole são sua dependência das variações da temperatura ambiente e sua fragilidade em ambientes pesados de trabalho. Segue abaixo a figura 4 como ilustração:
Figura 5: Manômetro tipo fole Fonte: Viana (1999)
Como a cápsula de diafragma, o fole pode ser usado para medir pressões absolutas e relativas e em sistemas de balanço de movimentos ou de forças eixo. Como a resistência à pressão é limitada, é usada para baixa pressão. 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.
O Fole pode expandir ou diminuir em função da força aplicada. Da mesma maneira que o Bourdon e o diafragma, a variação de pressão deforma o fole que transmite este movimento para um sistema mecânico de indicação. As foles operam sempre comprimidas para garantir deformações dentro do regime elástico. São utilizados em sistemas de controle pneumáticos e em válvulas de controle.
Os erros nas leituras dos sensores metálicos são principalmente causados por mudanças na pressão atmosférica, temperatura, vazamentos, deslocamentos de calibração e por efeitos térmicos.
3.4 Manômetro tipo coluna de líquidos
Os manômetros de coluna de líquido são aparelhos básicos destinados a medir pressão ou vácuo e servem também como padrões primários, isto é, são utilizados como padrão para calibração de outros aparelhos. De construção simples, consequentemente, apresentam baixo custo, além de apresentar vantagens tais como: não requer manutenção, calibragem especial e permite medições com grande precisão.
Atualmente tais instrumentos podem ser encontrados em diferentes tipos de aplicação industrial, como verificação de vazamento, determinação de velocidade de fluxo de ar, medição de nível de líquidos armazenados.
3.4.1 Manômetro de tubo em U
É o manômetro de coluna que se apresenta como o mais simples de todos. O aparelho é construído basicamente em tubo reto em forma de “U” preenchido com fluído manométrico até a sua metade, sendo que as extremidades deste tubo devem estar abertas para a atmosfera. Seu princípio de funcionamento consiste na aplicação de pressão num de seus ramos o que provocará o líquido descer por este ramo e a subir no outro. Na condição de repouso (sem aplicação de pressão), como ambos abertos para a atmosfera a força atua nas superfícies consideradas como niveladas e simultaneamente referenciadas ao zero da escala.
A pressão indicada é mostrada pela diferença de altura em função do movimento do fluído nos dois ramos e lida através de uma escala graduada, sendo que seu valor numérico é igual ao das leituras acima e abaixo do ponto médio (zero da escala). O manômetro de tubo em “U”, conforme ilustrado pela figura 5, é um padrão primário porque a diferença na altura entre os dois ramos constitui sempre uma ideia real da pressão independentemente das variações do diâmetro interno dos tubos. (Efeito da capilaridade).
Figura 6: Manômetro tipo tubo em U Fonte: Temper União
Com o Manômetro de Tubo em “U” podemos fazer três tipos de medição tais como: medição de pressão positiva, negativa ou de vácuo e também diferencial.
3.4.2 Manômetro de tubos com reservatórios
O manômetro de tubo reto com reservatório (Figura 6) difere do manômetro de tubo em “U” por causa da relação entre as áreas dos dois sendo que uma dela é muitas vezes maior do que a outra. Como resultado deste aspecto construtivo, a altura do líquido no reservatório muda pouco, enquanto que no outro ramo a mudança é bastante sensível.
O reservatório pode ser construído suficientemente grande, de forma que a alteração de nível do líquido em seu interior seja desprezível, ou podendo-se ainda compensar a escala de graduação pela alteração do nível de líquido no reservatório. Isto é imediatamente compensado pelo espaçamento das graduações da escala na quantidade exata requerida para refletir e corrigir esta “Queda no Reservatório” e também através do rigoroso controle dimensional nas tolerâncias dos diâmetros internos, tanto no reservatório como do tubo indicador. Para os manômetros de tubo
reto com reservatório, a maior importância do projeto se resume no fato de que todas as leituras podem ser obtidas diretamente de uma coluna indicadora simples.
Portanto, em qualquer tipo de medição, a fonte de pressão deverá ser ligada de tal maneira que provoque o levantamento do fluído manométrico no tubo indicador. A pressão real segue os mesmos princípios anteriormente descritos e é medida pela diferença entre as superfícies do fluído manométrico.
Figura 7: Manômetro tipo tubo com reservatório Fonte: Temper União
3.4.3 Manômetro em tubo inclinado com reservatório
Quando a necessidade de se fazer medições de baixa pressão, ou de diferencial de pressão muito baixo torna-se uma questão fundamental, deve-se usar o manômetro de tubo inclinado com reservatório. Neste caso, o projeto é concebido tendo o tubo indicador montado na posição inclinada, fato que permite aumentar ainda mais a legibilidade e a sensibilidade do aparelho. Com a inclinação do tubo indicador, o fluído manométrico realizará um movimento linear muito mais longo, comparado com o tubo vertical para uma mesma dada diferença de pressão.
Este tipo de montagem, por exemplo, pode permitir até 400mm de comprimento de escala representar 30mm de altura de fluído manométrico na posição vertical. Em função deste aumento, com subdivisões de escala igual a 1,33mm, poderemos ter uma altura da coluna de líquido correspondente a 0,10mm CA por divisão, usando fluído com densidade 0,826.
Para se obter leituras mais exatas e repetitivas, o manômetro de tubo inclinado com reservatório deve ser montado, observando-se as seguintes exigências técnicas: o tubo deve ter seu diâmetro interno calibrado (área da secção
do tubo, constante); ângulo de inclinação do tubo indicador deve estar sempre na posição correta, o que é obtido através do nivelamento do aparelho; omanômetro de tubo inclinado da Temper União (TUB) é equipado com nível e parafusos de ajuste do nível. O manômetro de Tubo inclinado com Reservatório, conforme ilustrado pela figura 7, é recomendado para medição de baixa e diferencial de pressão em instalações de ar, gases, testes de vazamento, queda de pressão em filtros, proporcionando leituras mais fáceis e precisas.
Figura 8: Manômetro tipo tubo inclinado com reservatório Fonte: Temper União
3.4.4 Vacuômetro sistema de jumo (Bennert)
Este vacuômetro é constituído de um sistema de tubos em “U”, onde um de seus ramos é preenchido totalmente com mercúrio e fechado em sua extremidade, e o outro ramo é ligado a um sistema de tubo e torneira, conforme mostra a figura 8. O princípio de funcionamento é muito simples. O tubo “A”, cheio de mercúrio, é mantido sempre na mesma posição pela atuação da pressão atmosférica contida dentro do tubo “B”.
Figura 9: Vacuômetro sistema de jumo Fonte: Temper União
Quando o vacuômetro for ligado a um sistema de vácuo através das extremidades “C” e “D”, a pressão em “B” cairá, fazendo com que a coluna de mercúrio suba pelo tubo “B” e, consequentemente, desça pelo tubo “A”. No momento em que a coluna de mercúrio do tubo “A” ficar no mesmo nível da coluna do tubo “B”, a pressão em “A” será exatamente igual à pressão em “B”. Mas como a pressão em “A” é igual a zero, a pressão em “B” também será igual a zero, portanto, teremos nesse ponto o vácuo absoluto.
4 SENSORES
4.1 Sensor piesoelétrico
Um sensor piezelétrico é um dispositivo que mede a pressão ou tensão utilizando a piezeletricidade, que é um fenômeno onde certos materiais podem gerar uma corrente elétrica, quando deformado, ou seja, a piezeletricidade é a capacidade que alguns cristais possuem de gerarem corrente elétrica em resposta a uma pressão mecânica exercida sobre o mesmo. A deformação gira em torno de 0,1% da dimensão original nestes tipos de cristais, estes dispositivos possuem algumas aplicações de grande importância, tais como a produção e detecção de sons, a geração de altas tensões e também a geração de uma frequência eletrônica.
O sensor piezoelétrico pode converter a força exercida sobre ele por compressão, impacto de aceleração, ou vibração em um sinal elétrico cuja força é proporcional à intensidade da força. Este tipo de sensor piezoelétrico é também muito robusto, sendo capaz de lidar com fortes forças de impacto e funcionar eficazmente a temperaturas elevadas, eles são muito utilizados em muitas aplicações industriais para a medição de pressão e tensão sobre diversos materiais. Os sensores piezoelétricos possuem uma ampla gama de aplicações. Uma aplicação comum é em microfones, quando a força exercida por ondas de som é convertida em sinais elétricos e gravado ou amplificado. Estes componentes devem ser flexíveis e de materiais piezoelétricos leves como o fluoreto de polivinilideno, que pode ser usado em telas sensíveis ao toque em celulares e tablets, e também têm aplicações em pesquisa científica. Por exemplo, pequenos sensores podem ser anexados a pequenos animais e até insetos para monitorar sua atividade e comportamento.
4.2 Sensor piezoresistivo ou tipo strain gauge
Um material piezelétrico é aquele que, quando exercido uma força sobre o material este traduz a força em diferença de potencial e vice versa. Um transdutor piorezistivo funciona da mesma forma, ou seja, reverte a força exercida sobre ele em uma diferença de resistência.
Este tipo de sensor pode ser utilizado em várias aplicações, como no controle de processos industriais, na refrigeração, no saneamento, na proteção de bombas e outras. A seguir há um exemplo de uma aplicação típica que é o controle de nível de uma caixa d'água. A partir deste sensor de pressão e com o condicionamento correto da saída e sabendo a forma deste tanque teremos o nível do mesmo. Em outra aplicação teríamos a regulação de pressão máxima dentro do tanque. Abaixo é mostrada a figura de uma possibilidade de aplicação.
A utilização de sensores de pressão é muito vasta, podendo ter diversar aplicações como já mencionado, monitorar pressão de fluidos em canos, motores, sistemas hidráulicos ou na natureza. O condicionamento do sinal pode ser consideravelmente fácil e também a implementação. A precisão do transdutor e a faixa de aplicação vão depender da aplicação em específico. Sensores de principio piezo-resistivo são usados largamente devido a sua ótima resposta aos estímulos.
4.3 Sensor de silício ressonante
Os medidores ressonantes possuem em geral o princípio da tecnologia que é conhecida como “vibrating wire”. Uma mola de fio magnético é anexada ao diafragma que ao ser submetido a um campo magnético e ser percorrido por uma corrente elétrica entra em oscilação. A freqüência de oscilação é proporcional ao quadrado da tensão (expansão/compressão) do fio.
No sensor Silício Ressonante, não se usa fio e sim o silício para ressonar com diferentes freqüências que são funções da expansão/compressão (é uma função do tipo 1/f2). O sensor é formado por uma cápsula de silício colocada em um diafragma que vibra ao se aplicar um diferencial de pressão, e a freqüência de vibração depende da pressão aplicada.
5.4 Sensor capacitivo
Os sensores capacitivos são projetados para operar gerando um campo eletrostático e detectando mudanças nesse campo, que acontecem quando um alvo se aproxima da face ativa. As partes internas do sensor consistem em uma ponta capacitiva, um oscilador, um retificador de sinal, um circuito de filtragem e um circuito de saída.
Na ausência de um alvo, em um sensor capacitivo digital, o oscilador está inativo. Quando o alvo se aproxima, a capacitância do circuito é modificada, e ao atingir um valor determinado, ativa o oscilador que ativa o circuito de saída, comutando seu estado.
Partindo do mesmo princípio, que a capacitância de um capacitor (sensor) depende da distância entre duas placas, do material dessas duas placas e do dielétrico entre elas, temos o sensor capacitivo analógico, onde se uma das placas for móvel, podemos associar à sua posição um valor de capacitância que pode ser usado para processar informações sobre a distância em que ela se encontra.
São sensores semelhantes aos de proximidade indutivos, porém sua diferença está exatamente no princípio de funcionamento, o qual se baseia na mudança da capacitância da placa detectora localizada na região denominada face sensível.
São largamente utilizados para a detecção de objetos de natureza metálica ou não, tais como: madeira, papelão, cerâmica, vidro, plástico, alumínio, laminados ou granulados, pós de natureza mineral como talco, cimento, argila, entre outros.
Os líquidos de maneira geral são ótimos atuadores para os sensores capacitivos, não importando se são condutivos ou não, viscosidade ou cor. Desta forma, excelentes sistemas para controle de níveis máximos e mínimos de líquidos ou sólidos são obtidos com a instalação de um ou dois sensores, mesmo que mergulhados totalmente no produto.
Mesmo para outros fins de detecção, tais como contagem de garrafas, caixas, pacotes ou peças, o sensor capacitivo dotado de ajuste de sensibilidade "T" é extremamente versátil, resolvendo problemas de automação, de difícil solução com sistemas convencionais.
CONCLUSÃO
É importante medir-se a pressão em processos industriais, pois a partir desta variável possibilita não só sua monitoração e controle como também de outras variáveis tais como nível, vazão e densidade.
A pressão pode ser medida de várias maneiras diferentes. Observando os custos de produção, o tipo de instrumento a ser utilizado deve ser escolhido considerando, custos da instalação, da manutenção, da energia, além do custo inicial do instrumento. Como critérios técnicos, devem ser considerados a faixa da medição, a aplicação do sistema e as condições do processo.
Sobre os medidores e transdutores encontrados comercialmente destacam-se entre os medidores de pressão os manômetros tipo Tubo de Bourdon e entre os transdutores comerciais destacam-se os transdutores tipo Strain Gauge.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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VOGES, Cleber. Mecânica dos Fluídos: Tipos de medidores de pressão. 2012. Disponível em: <http://wwwmecanicadosfluidos.blogspot.com.br/2010/10/tipos-de-medidores-de-pressao.html>. Acesso em: 30 ago. 2015.
