Instrumentação Industrial Autor: Perez Instrumentos de Pressão 1 AULA II - Instrumentos de Pressão Instrumentos de Pressão 2 Instrumentação - Pressão Objetivos 9 Estudar Elementos e Transmissores de Pressão Mais Utilizados 9 Recomendações 9 Importante base de medição pois vazão e nível podem ser medidos a partir de transmissores de pressão diferencial Instrumentos de Pressão 3 Instrumentos de Pressão 4 Instrumentação - Pressão Elementos de Medição Tipo Tubo em U Manômetro de reservatório P1 − P2 = γ∆h Instrumentos de Pressão 5 Instrumentos de Pressão 6 Instrumentação - Pressão Elementos de Medição 9 Consiste, basicamente, de um tubo metálico em forma de “C” de seção aproximadamente elíptica, com uma das extremidades fechada, ligada a um sistema alavanca-engrenagem e outra extremidade que sente a pressão que se quer medir. 9 A ação da pressão tende a abrir a seção do tubo provocando um pequeno deslocamento da extremidade livre. Este movimento é amplificado (alavanca engrenagens) girando um ponteiro que indica sobre uma escala o valor desejado. 9 Pressão máxima: 10000 psig ou 703,2 kgf/cm2 9 Materiais usuais: latão,bronze fosforoso, aço inox. 9 Escalas usuais : kgf/cm2, lbf/in2 (psig) 9 Precisão : 1% da indicação máxima para leituras acima dos 5% iniciais da escala. Instrumentos de Pressão 7 Instrumentação - Pressão Elementos de Medição 9 Tipo Bourdon em C – Mais empregado na área industrial Instrumentos de Pressão 8 Instrumentação - Pressão Elementos de Medição Instrumentos de Pressão 9 Instrumentação - Pressão Elementos de Medição Instrumentos de Pressão 10 Instrumentação - Pressão Elementos de Medição 9 Manômetro pressão diferencial tipo bourdon em C Instrumentos de Pressão 11 Instrumentação - Pressão Elementos de Medição 9 Tipo Espiral ou Hélice Tipo Helicoidal Tipo Espiral Instrumentos de Pressão 12 Instrumentação - Pressão Elementos de Medição 9 São tubos bourdon, enrolados como hélice cilíndrica de vários passos ou como espirais. 9 As vantagens desses tipos em relação ao bourdon tipo “C” são: maior amplitude no movimento do sensor, mais força, resposta mais rápida, faixa morta reduzida, maior precisão. 9 Como o deslocamento da ponta livre é bem mais acentuado, não necessita do sistema de amplificação mecânica do movimento do sensor para indicação da pressão. 9 Espirais de bronze são fornecidas até 400 psig (28 kgf/cm2) e de aço inox até 4000 psig (280 kgf/cm2). 9 Hélices de liga de níquel e aço inox são fornecidos até 10000 psig (703 kgf/cm2). Instrumentos de Pressão 13 Instrumentação - Pressão Elementos de Medição Tipos de Tubos “ Bourdon ” a) Tipo C b) Tipo Espiral Instrumentos de Pressão C) Tipo Helicoidal 14 Instrumentos de Pressão 15 Instrumentação - Pressão Elementos de Medição 9Manômetro tipo Diafragma ou Cápsula Quando uma pressão é aplicada, a membrana se desloca e esse deslocamento é proporcional à pressão aplicada. O diafragma geralmente é ondulado ou corrugado para aumentar sua área efetiva. Cápsula Instrumentos de Pressão 16 Instrumentação - Pressão Elementos de Medição Tipo Diafragma Instrumentos de Pressão 17 Instrumentação - Pressão Elementos de Medição 9Manômetro tipo Diafragma – Draft Gauge Medem pressões de 0,2 a 120 polegadas de H2O. Material do diafragma : Neoprene, latão e bronze. Precisão : 1% Aplicação: Câmara de combustão de Fornos Instrumentos de Pressão 18 Instrumentação - Pressão Elementos de Medição Tipo Cápsula Instrumentos de Pressão 19 Instrumentos de Pressão 20 Instrumentação - Pressão Elementos de Medição 9Manômetro tipo Fole - Medições de Baixa Pressão Instrumentos de Pressão 21 Instrumentos de Pressão 22 Instrumentação - Pressão Elementos de Medição 9Recomendações : Para garantir uma grande durabilidade, a pressão máxima na qual o medidor será continuamente operado não deverá exceder a 75% do valor final da escala. O valor final da escala deverá ser aproximadamente o dobro da pressão normal de operação. Pmax-operacional =0,75 Pmax-instrumento Pnormal-operacional ≈0,50 Pmax-instrumento Instrumentos de Pressão 23 Instrumentação - Pressão Elementos de Medição 9Recomendações : O manômetro deve ser capaz de suportar sobrepressão até 1,3 vezes a máxima pressão de trabalho Para pressões de vácuo ou pressões baixas, utilizar diafragma ou fole. Instrumentos de Pressão 24 Instrumentos de Pressão 25 Instrumentação - Pressão Elementos de Medição Instalar o instrumento sempre com uma válvula de bloqueio e outra de dreno para permitir a retirada do mesmo em operação. Instrumentos de Pressão 26 Instrumentação - Pressão Elementos de Medição Instalar o instrumento sempre com uma válvula de bloqueio e outra de dreno para permitir a retirada do mesmo em operação. Utilizar um amortecedor de pulsações ou enchimento com glicerina no visor sempre que o manômetro estiver em contato com fluidos que apresentem bruscas variações de pressão, como no caso de descargas de bombas alternativas. • Exemplo de amortecedor de pulsações: manômetros com restrição na tomada de impulso (tomada de pressão). Instrumentos de Pressão 27 Instrumentação - Pressão Elementos de Medição 9Relação entre a vida útil manômetro sem glicerina e com glicerina na descarga de uma bomba Instrumentos de Pressão 28 Instrumentação - Pressão Elementos de Medição 9Exemplos de amortecedores de vibração (restrições) Instrumentos de Pressão 29 Instrumentação - Pressão Elementos de Medição 9Utilizar sifão ou serpentina de resfriamento quando em presença de vapores condensáveis, para minimizar efeitos de elevada temperatura, retendo o condensado formado junto ao resfriamento. O líquido que fica retido na curva do tubo-sifão esfria e é essa porção de líquido que irá ter contato com o sensor elástico do instrumento, não permitindo que a alta temperatura do processo atinja diretamente o mesmo. A - Cachimbo B - Rabo de Porco C - Bobina D - Alta Pressão Tipos de Sifão Instrumentos de Pressão 30 Instrumentação - Pressão Elementos de Medição Tipo Reto Instrumentos de Pressão 31 Instrumentação - Pressão Elementos de Medição 9Utilizar líquido de selagem com ou sem diafragma de selagem quando em presença de fluidos corrosivos, líquidos com tendência a solidificação em temperatura ambiente, alta temperatura. Líquidos usuais : Glicerina, silicone e querosene. Materiais do diafragma : Monel, níquel e aço inox. Instrumentos de Pressão 32 Instrumentação - Pressão Elementos de Medição Instrumentos de Pressão 33 Instrumentação - Pressão Elementos de Medição 9Líquido de selagem sem diafragma – instalação segundo API-551 9Uso de tê de selagem ou pote de selagem 9Os potes de selagem ou condensado devem ser instalados na mesma elevação, de modo que se evite o erro devido à diferença de cotas. OBS: Quando a instalação não puder evitar a condensação na linha de impulso do transmissor, recomenda-se usar selo. Instrumentos de Pressão 34 Instrumentação - Pressão Elementos de Medição Líquido de selagem – instalação prática com Tê de selagem 9A instalação se baseia na utilização de um manifold de 5 vias, no caso de um transmissor diferencial de pressão, de modo a possibilitar o engate de uma bomba de deslocamento positivo para injeção de selagem com glicerina; 9O preenchimento da selagem é realizado de forma simples em ambas as tomadas de pressão por meio da operação nos "manifolds"; 9Tês de selagem são utilizados no lugar de potes de selagem de modo a reduzir mais um item de inspeção e manutenção, que consistiria no próprio pote; 9Os potes de selagem são considerados itens desnecessários tendo em vista que os deslocamentos nos diafragmas dos transmissores atuais é muito pequeno em comparação aos diafragmas utilizados nos transmissores antigos. Estes deslocamentos ocasionavam variação do nível da glicerina na linha de impulso, reduzindo a acurácia e levando a problemas de repetibilidade. Esta variação era compensada por meio de um volume intermediário obtido pela instalação do pote. Instrumentos de Pressão 35 Instrumentação - Pressão Elementos de Medição Instrumentos de Pressão 36 Instrumentação - Pressão Elementos de Medição 9 Purga em instrumentos de medição: instalação segundo API-551 9 Mais recomendado quando se tem sólidos em suspensão ou de produtos que possam se solidificar nas tomadas de impulso do instrumento Instrumentos de Pressão 37 Instrumentação - Pressão Elementos de Medição 9 Óleo de lavagem (‘flushing”) utilizado nas medições com líquido com sólidos em suspensão. 9 Ar, gás combustível, vapor ou Nitrogênio podem ser usados como meio de purga nas medições de um processo no estado gasoso. Instrumentos de Pressão 38 Instrumentação - Pressão Elementos de Medição 9 “Steam tracing” em instrumentos de medição: instalação segundo API-551 9Tem como objetivo evitar o entupimento das tomadas dos instrumentos que trabalham com fluidos de processo cujo ponto de fluidez seja superior à temperatura ambiente. Instrumentos de Pressão 39 Instrumentação - Pressão Elementos de Medição Instrumentos de Pressão 40 Instrumentação - Pressão Elementos de Medição 9 “Steam tracing” até o tê de selagem Instrumentos de Pressão 41 Instrumentação - Pressão Elementos de Medição 9 A medição de fluidos com ponto de fluidez acima da temperatura ambiente também podem ser medidos com “flushing”, acrescido de “steam tracing”. i. O traceamento tem como objetivo evitar a solidificação do produto nas tomadas do instrumento caso o “flushing” falte. ii. A selagem na tomada de impulso do tê de enchimento ou pote de selagem para o instrumento seria feita pelo próprio óleo de lavagem. Instrumentos de Pressão 42 Instrumentação - Pressão Elementos de Medição 9 Instrumentos com selo remoto 9Utilizado em medições com hidrogênio a alta pressão Instrumentos de Pressão 43 Instrumentação - Pressão Elementos de Medição 9 Instrumentos com selo remoto Instrumentos de Pressão 44 Instrumentação - Pressão Elementos de Medição 9 Cuidados com selo remoto: 9No caso de transmissor diferencial, os dois capilares devem ser de mesmo tamanho. 9Evitar capilares compridos que aumentam o tempo de resposta do sensor 9Observar faixa de temperatura de operação do fluido de enchimento 9Observar faixa de pressão admissível para o selo remoto 9Uso de diafragmas de maior área melhorando a sensibilidade e resposta do instrumento Instrumentos de Pressão 45 Instrumentação - Pressão Elementos de Medição Selo Remoto - Montagem Instrumentos de Pressão 46 Instrumentos de Pressão 47 Instrumentação - Pressão Transmissor Pneumático Aumenta a pressão Instrumentos de Pressão 48 Transmissor DP Cell Eletrônico Aumenta a pressão Instrumentos de Pressão 49 Transmissor DP Cell Capacitivo 9 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. 9 Este tipo de sensor resume-se no deslocamento diretamente pelo processo do diafragma sensor do capacitor. Tal deformação altera o valor da capacitância total que é medida por um circuito eletrônico. Instrumentos de Pressão 50 Transmissor DP Cell Capacitivo Instrumentos de Pressão 51 Transmissor DP Cell Capacitivo Instrumentos de Pressão 52 Transmissor DP Cell Capacitivo Instrumentos de Pressão 53 Transmissor DP Cell Capacitivo 9 No centro da célula está o diafragma sensor (1). Este diafragma flexiona-se em função da diferença de pressões aplicadas ao lado direito e esquerdo da célula. Essas pressões são aplicadas diretamente aos diafragmas isoladores (2), os quais fornecem resistência contra corrosão provocada por fluidos de processos. A pressão é diretamente transmitida ao diafragma sensor através do fluido de enchimento (3), provocando a sua deflexão. 9O diafragma sensor é um eletrodo móvel. As duas superfícies metalizadas (4) são eletrodos fixos. 9A deflexão do diafragma sensor é percebida através da variação da capacitância entre os dois eletrodos fixos e o móvel. Instrumentos de Pressão 54 Transmissor DP Cell Capacitivo Instrumentos de Pressão 55 Instrumentos de Pressão 56 Instrumentos de Pressão 57 Strain Gauge 9 Strain significa em português esforço, tensão. Deformação ou mudança na forma de um material quando submetido a forças. Um strain gauge é um dispositivo cuja resistência elétrica varia quando submetida a uma dada pressão. Um determinado fio tem seu diâmetro e comprimento alterados quando submetido a uma tensão ou compressão. Como R = ρL/S, variando o comprimento L e a área S, variamos a resistência do fio. A variação da resistência é a medida da pressão que originou a distorção mecânica. Instrumentos de Pressão 58 Strain Gauge 9 9 Seguindo esta linha de raciocínio , concluímos que para um comprimento L obtivemos ∆L , então para um comprimento 10 x L teríamos 10 x ∆L , ou seja , quanto maior o comprimento do fio , maior será a variação da resistência obtida e maior a sensibilidade do sensor para uma mesma pressão ( força ) aplicada. O sensor consiste de um fio firmemente colado sobre uma lâmina de base, dobrando-se tão compacto quanto possível. Esta montagem denomina-se tira extensiométrica. Instrumentos de Pressão 59 Strain Gauge 9 O sistema completo de medição utilizando o strain gauge é composto por um elemento sensor de pressão (bourdon, fole ou diafragma), um strain gauge conectado a esse elemento, uma fonte de alimentação estável e um dispositivo de leitura da resistência do strain gauge através da corrente ou tensão. Instrumentos de Pressão 60 Strain Gauge 9 9 9 9 Embora todos condutores elétricos possuam essa característica de “strain gauge”, apenas poucos compensam ser utilizados comercialmente como transmissores. O sistema de deteção por ponte de Wheatstone é o mais empregado para medição da variação de resistência. Quando a pressão é aplicada ao elemento sensor, a resistência do strain gauge varia com a deformação do sensor e a tensão de saída da ponte muda. Essa tensão é levada a um amplificador de modo a poder ser medida facilmente por instrumentos comerciais. É comum a necessidade de se compensar variações de temperatura ocorridas no ambiente. Essas variações de temperatura influenciam na indicação do strain gauge devido a dilatações térmicas. Para corrigir isso, utilizamos um resistor (termistor) na ponte de Wheatstone com as mesmas características térmicas do strain gauge. Instrumentos de Pressão 61 Strain Gauge Vin Vout R3 R4 = Vin − + + R R R R 2 4 1 3 Instrumentos de Pressão 62 Instrumentos de Pressão 63 LVDT – Linear Variable Dual Transformer 9 9 Assim como os strain gauges, dependem de um elemento sensor (bourdon, diafragma ou fole) que transmitirá um movimento, proporcional a variação de pressão, ao LVDT para este variar sua característica elétrica. O LVDT é um dispositivo indutivo composto de um transformador cujo núcleo é deslocado por uma barra de força conectada a um fole. Quando a pressão aumenta, a barra de força atua sobre o ferrite (núcleo de ferro de um transformador) diminuindo a relutância magnética e aumentando, conseqüentemente, a corrente de saída. Essa própria corrente é utilizada para balancear a barra de força através de um sistema bobina-núcleo que, com o aumento da corrente, aumenta a força de atração sobre a barra de força até que o equilíbrio com a força produzida pelo fole seja atingido Instrumentos de Pressão 64 LVDT – Linear Variable Dual Transformer Instrumentos de Pressão 65 Instrumentos de Pressão 66 Sensor Piezoelétrico 9 9 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, gerando assim uma milivoltagem. A carga elétrica acumulada, devida à alteração da 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. Instrumentos de Pressão 67 Sensor Piezoelétrico Q = CE Instrumentos de Pressão 68 Sensor Piezoelétrico Instrumentos de Pressão 69 Instrumentos de Pressão 70 Sensor por Silício Ressonante 9 9 9 9 O sensor consiste de duas cápsulas de silício encapsuladas a vácuo e colocadas estrategicamente em um diafragma, utilizando o diferencial de pressão para vibrar em maior ou menor intensidade, afim de que essa freqüência seja proporcional a pressão aplicada. O sensor de pressão é formado por dois ressonadores de silício com o formato da letra “H”. Um campo magnético permanente é aplicado aos ressonadores. Quando uma corrente alternada é aplicada aos ressonadores, estes oscilam sob o campo magnético, fazendo o sensor entrar em ressonância; Instrumentos de Pressão 71 Sensor por Silício Ressonante Instrumentos de Pressão 72 Sensor por Silício Ressonante Instrumentos de Pressão 73 Sensor por Silício Ressonante Instrumentos de Pressão 74 Sensor por Silício Ressonante 9 Detalhando o sensor Instrumentos de Pressão 75 Sensor por Silício Ressonante 9 9 9 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. Desta maneira, os sensores possuirão uma diferença de freqüência entre si. Esta diferença pode ser sentida por um circuito eletrônico. A diferença de freqüência será proporcional ao ∆P aplicado. Instrumentos de Pressão 76 Sensor por Silício Ressonante 9 9 9 Sem pressão aplicada, ambos os ressonadores tem uma freqüência de ressonância de 90 kHz; Em operação, a pressão aplicada ao diafragma de Silício faz com que o ressonador submetido à tração tenha sua freqüência aumentada, e o ressonador submetido à compressão tenha sua freqüência diminuída. O sensor de Silício ressonante também incorpora um detector de temperatura, cujo sinal de saída em freqüência é proporcional à variação de temperatura do sensor. Instrumentos de Pressão 77 Sensor por Silício Ressonante Instrumentos de Pressão 78 Sensor por Silício Ressonante Instrumentos de Pressão 79
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