Pressão
• Corresponde a uma das medidas mais importantes
na indústria
• Os princípios usados também são aplicados às
medidas de temperatura, nível e vazão de líquidos
Princípios, leis e teoremas envolvidos
1. Lei da conservação da energia (Teorema de Bernoulli)
2. Teorema de Stevin (altura da coluna de líquido)
3. Teorema de Pascal (transmissão de força em um fluido
sob pressão)
4. Equação manométrica (relação entre pressão e altura
de colunas de líquido)
Esquema ilustrativo do teorema de
Bernoulli.
Patm
PA = Patm + d.g.h
Líquido de
densidade “d”
Teorema de Stevin: relaciona a pressão estática de um
fluido em repouso com a altura da coluna deste.
Esquema para ilustração do Teorema de Pascal
(transmissão de força em um fluido sob pressão).
Esquema ilustrativo para dedução da equação
manométrica (relação entre pressão e altura de
colunas de líquido).
Tipos de pressões medidas
• Pressão absoluta (pressão atmosférica + pressão
manométrica)
• Pressão manométrica (pressão acima da pressão
atmosférica)
• Pressão barométrica (pressão atmosférica)
• Pressão diferencial (diferença de pressão entre dois
pontos)
Referenciais de pressão.
Algumas unidades de pressão
Medição de pressão por manométrica
Tipo de Manômetro
Manômetro de líquido
Elemento de recepção
Tubo em “U”
Tubo reto
Tubo inclinado
Manômetro elástico
Tubo de Bourbon (C, espiral e helicoidal)
Fole
Diafragma
Cápsula
A. Manômetros de líquido
Construção: Basicamente é constituído por
tubo de vidro com área seccional uniforme,
uma escala graduada e um líquido de
enchimento, tudo suportado por uma estrutura
de sustentação.
Líquidos mais empregados: mercúrio e água
Referencial para leitura de menisco de mercúrio
e de água.
A1. Manômetro tipo coluna em “U”
A leitura pode ser feita simplesmente medindo-se o
deslocamento do lado de baixa pressão a partir do
mesmo nível do lado de alta pressão, tomando como
referência o zero da escala.
A faixa de medição é de aproximadamente 0 ~ 2000
mmH2O/mmHg.
Foto de um manômetro de tubo em “U”.
A2. Manômetro tipo coluna reta vertical
Coluna
reta
P2
a
Um pequeno deslocamento do líquido no tanque
(h1) leva a...
P1
h2
... um grande deslocamento do líquido na coluna
reta (h2).
l
A
j
Superfície do líquido
quando P1=P2
h1
Tanque de líquido
de densidade δ
A pressão é obtida
pela expressão:
P1 – P2 = δ . h2 ( a + 1)
A
A3. Manômetro tipo coluna reta inclinada
Coluna
reta
Superfície do líquido
quando P1=P2
P1
A
l
a
L
l
h1
α
Tanque de líquido (densidade δ)
A pressão é obtida
pela expressão:
P1 – P2 = δ . L ( a + sen α)
A
P2
Adequado para baixas
pressões (da ordem de
50 mmH2O)
A
vantagem
em
relação ao tubo reto
vertical é a expansão
da escala, permitindo
medições de pressão
com maior precisão.
Foto de um manômetro de tubo reto inclinado.
Observações
Os manômetros de líquido em geral são
adequados nos casos em que o valor da pressão
não é crucial para o processo e, portanto, não é
necessário investimento em instrumentos mais
sofisticados.
São de construção simples e de baixo custo.
B. Manômetros elásticos
• Baseiam-se na lei de Hooke, sobre elasticidade
dos materiais
• Os medidores de pressão tipo elástico são
submetidos a valores de pressão sempre
abaixo do limite de elasticidade, pois, assim,
cessada a força a ele submetida, o medidor
retorna à sua posição inicial sem perder suas
características
Princípio: Medida da deformação elástica
sofrida por um material em decorrência da força
resultante da pressão a que foi submetido
A deformação provoca um deslocamento linear que é
convertido de forma proporcional em um deslocamento
angular por um mecanismo específico.
Ao deslocamento angular é anexado um ponteiro que
percorre uma escala linear e cuja faixa representa a
faixa de medição do elemento de recepção.
Os elementos de recepção é que dão nome aos
diferentes tipos de manômetros elásticos.
B1. Manômetro tipo Tubo de Bourdon
Tubo com seção oval, que pode estar disposto
em forma de “C”, espiral ou helicoidal. Tem uma
extremidade fechada e outra aberta à pressão a
ser medida.
Com a pressão agindo em seu interior, o tubo se
deforma, resultando um movimento em sua
extremidade fechada.
Esse movimento, por meio de engrenagens, é
transmitido a um ponteiro que indica a medida
da pressão em uma escala graduada.
Representações e ilustrações dos três tipos
de tubo de Bourdon.
Esquema básico do tubo de Bourdon tipo “C”.
Esquema do tubo de Bourdon tipo “C” com
indicação dos seus principais componentes.
Fotos de manômetros elásticos com tubo de
Bourdon tipo “C”.
Selos
Alguns fluidos podem ser corrosivos, tóxicos,
conter elementos radioativos ou estar a uma
temperatura
muito
alta,
condições
que
impossibilitam seu contato com o tubo de
Bourdon.
No caso de fluidos empregados em bioprocessos
deve-se considerar ainda o envolvimento de
microrganismos, tanto no sentido do meio para o
instrumento (danificação) quanto do instrumento
para o meio (contaminação), além de vapor d’água.
Isto torna necessário o emprego de selos, os quais
impedem o contato do fluido sob medição com o
instrumento (tubo de Bourdon).
Selo por diafragma
Alguns tipos de selo para manômetros tipo Bourdon.
B2. Manômetro tipo Diafragma
Tipo de medidor que utiliza um diafragma para medir
determinada pressão, bem como para separar o fluido
medido do mecanismo interno (ou seja, funciona
também com um selo).
Diafragma é uma membrana fina de material elástico,
metálico ou não que, neste manômetro, fica sempre
oposta a uma mola.
A pressão sobre o diafragma causará um deslocamento
deste até um ponto onde a sua força elástica se
equilibrará com a força da mola.
Este deslocamento é transmitido a um sistema com
indicação (ponteiro) que mostra a medição efetuada.
Kk
kk
Esquema simplificado de um manômetro
de diafragma.
Escala
Mola espiral
Pinhão (engrenagem)
Setor dentado
Este deslocamento é transmitido a
um sistema articulado (com ponteiro)
que mostra, numa escala, a medição
efetuada.
Braço de articulação
Mola plana
Diafragma
Pressão
Diafragma é uma membrana fina de
material elástico, metálico ou não
que, neste manômetro, fica sempre
oposta a uma mola.
A pressão sobre o diafragma
causará um deslocamento deste até
um ponto onde a sua força elástica
se equilibrará com a força da mola.
Pressão
Esquema geral de um manômetro de diafragma.
Setor dentado
Escala
Haste
Membrana
Pressão
Concepção alternativa de um manômetro de
diafragma.
Com selo sanitário (próprio
para indústria alimentícia)
Ilustrações de manômetros de diafragma.
B3. Manômetro tipo Fole
Foles são dispositivos constituídos por um material que
possui rugas ou dobraduras e que tem possibilidade de
expandir-se e contrair-se em função de pressões
aplicadas no sentido de seus eixos.
No caso de manômetros, tais dispositivos são
cilíndricos, com rugas ao longo do círculo exterior.
Como a resistência à pressão é limitada, são usados
para medição de baixas pressões.
Kk
kk
Esquema simplificado de um manômetro
tipo fole.
FOLE
BATENTE
Pressão
PONTEIRO
MOLA
ESCALA
Esquema geral de um manômetro tipo fole.
Escala
Mola espiral
Setor dentado
Braço de
articulação
Pinhão
Mola
Rugas
Caixa
Pressão
hhhh
Concepção alternativa de um manômetro de fole.
Ilustrações de manômetros de FOLE.
B4. Manômetro tipo Cápsula
Esquema geral de um manômetro tipo cápsula.
Constitui uma variação do manômetro de fole.
Vacuômetros
• São instrumentos análogos ao manômetros de
elástico, diferindo na faixa de medição
(pressões abaixo da pressão atmosférica até
alto vácuo).
• Em muitos casos o instrumento funciona
como manômetro e como vacuômetro.
Ilustração de um vacuômetro.
Transdutores de pressão
Correspondem a conversores cuja finalidade principal é
transformar as variações de pressão detectadas pelos
elementos sensores em sinais padrões de transmissão.
Esses dispositivos convertem o sinal de pressão
detectado em sinal elétrico padronizado (4 a 20 mA dc).
Assim, esses dispositivos permitem a construção dos
manômetros e vacuômetros digitais.
Os principais tipos de transdutores são: capacitivo,
indutivo, de deformação, ótico, piezoelétrico, de fio
ressonante e potenciométrico.
Ilustrações de instrumentos digitais de medida
de pressão e vácuo.
Fatores que devem ser considerados
na escolha do medidor
- Compatibilidade com o fluido
- Faixa de medição
- Temperatura de operação
- Precisão
- Custo
- Estabilidade térmica
- Resistência à corrosão (do fluido e do ambiente)
- Interferências (campos magnéticos, vibrações, etc.)
- Facilidade de manutenção e reposição
- Resistência a sobrecargas e choques
- Confiabilidade
- Interface elétrica
- Etc.
Medição de pressão e vácuo em bioprocessos
- Manômetro tipo diafragma
• Variável relacionada com a solubilidade do oxigênio
em meio líquido
• Controle da pressão para operações em
temperaturas acima de 100 oC (esterilização)
• Controle do vácuo para evaporações em
temperaturas abaixo de 100 oC (concentração)
• Controle do vácuo para filtrações (recuperação)
• Medição e controle da pressão para avaliação da
perda de carga durante bombeamento de meios e ar
• Medição e controle da pressão na cabeça do
biorreator (manutenção de pressão positiva)