INSTRUMENTAÇÃO II
Engenharia de Automação, Controlo e Instrumentação
2006/07
Trabalho de Laboratório nº 6
Medição de Caudal por Diferença de Pressão
Realizado por Paulo Alvito
26 de Fevereiro de 2003
Revisto em 24 de Outubro de 2005
1. Objectivos
Pretende-se estudar o funcionamento do circuito condicionador do sinal proveniente do sensor
de caudal por diferença de pressão, realizando os ajustes de offset e ganho para obter a relação
entre o sinal de saída e o caudal do líquido. Pretende-se ainda obter os parâmetros
característicos do sensor de caudal.
2. Introdução
A maioria das medidas de caudal volumétrico, realizadas nos processos industriais, é
realizada através de caudalímetros cujo princípio de funcionamento se baseia na medida da
diferença de pressão produzida entre dois pontos de uma conduta, de secções diferentes, por
onde circula um fluído.
Em termos práticos, estes métodos assentam na colocação de uma obstrução (orifício) numa
determinada secção onde se pretende medir o caudal (ver figura 1). Este orifício provoca uma
queda de pressão que varia com a velocidade do fluído. A medida desta diferença através de
um sensor de pressão diferencial, permite a medida do caudal do fluído na tubagem.
Fig 1 – Medição de caudal através do orifício
EACI 06/07 – Trabalho de Laboratório nº 6
1
Supondo as condições ideais de fluxo estacionário de um fluido incompressível, sem fricções,
sem a realização de trabalho e sem absorção/transferência de calor, pode-se demonstrar que o
caudal volumétrico Q é dado por:
Q=K
2( p1 − p 2 )
ρ
Onde,
K – constante que depende das secções de medida
ρ - densidade do fluído
p1, p2 – pressões estáticas
Na figura 2 é apresentado o caudalímetro instalado na maqueta MD-544. O sensor de pressão
da direita mede a pressão do líquido que entra impulsionado pela bomba, o sensor da esquerda
mede a pressão do líquido que sai.
A obstrucção (orifício) do caudalímetro consiste numa redução (para metade) da secção do
tubo de entrada.
Fig. 2 – Sensor de caudal por diferença de pressão
Os sensores de pressão usados neste caudalímetro são compostos por quatro sensores
piezoresistivos configurados numa ponte de Wheastone. A sua alimentação é efectuada
através de uma fonte alimentação comum montada no módulo condicionador. As suas saídas
de tensão, proporcionais à pressão produzida pelo movimento do líquido no tubo de medida,
são acondicionadas através de dois circuitos independentes onde são corrigidos os offsets por
meio de dois potenciómetros montados no módulo condicionador. A figura 3 representa o
esquema modular simplificado do condicionador.
Fig. 3 – Circuito do condicionador.
EACI 06/07 – Trabalho de Laboratório nº 6
2
A primeira secção pre-amplificadora apresenta uma alta resistência de entrada, colocando na
sua saída um sinal proporcional à pressão medida pelo sensor com uma amplificação de 100.
Com o fim de eliminar o ruído presente no sinal a medir, é aplicada uma filtragem passabaixo à saída do andar pre-amplificador. O bloco seguinte é um amplificador da diferença
entre os sinais provenientes de ambos os sensores. Finalmente, é aplicado, através de um
último andar amplificador, um ganho ajustável através de um potenciómetro.
Neste laboratório realizar-se-ão os ajustes de offset e ganho para obter a relação desejada entre
o sinal de saída do condicionador e o caudal. De seguida, serão determinados os parâmetros
característicos do sensor de caudal, podendo comprovar-se a não-linearidade do sensor, e que
o sinal de saída e o caudal estão relacionados por uma função quadrática.
3. Material
1 × maquete MD-544
1 × módulo ALV-215
1 × módulo CSS-547
1 × módulo ACONDICAUD-547
4. Procedimento Experimental
Proceda às montagens exemplificadas nas figuras 4 e 5.
Medir aqui a
tensão de
alimentação
Fig. 4 – Ligações do sensor ao condicionador
Fig. 5 – Alimentação da bomba
Abra a válvula de esgoto, certificando-se que o depósito superior fica vazio, e que,
consequentemente, o depósito inferior fica completamente cheio.
Ajuste, com os potenciómetros de offset, as saídas VP1 e VP2 do módulo condicionador para
que estas sejam de 0 V. Assegure-se que nestas condições a saída do bloco amplificador K é
também aproximadamente de 0 V. Justifique eventuais diferenças.
Feche a válvula de esgoto e bloquei a rotação da turbina através do seu freio magnético.
EACI 06/07 – Trabalho de Laboratório nº 6
3
Aplique o valor máximo de tensão à bomba com o potenciómetro VOLTIOS do módulo CSS547.
Ajuste o potenciómetro de ganho K do condicionador, para que à saída este apresente um
valor de 10 V.
Abra a válvula de esgoto novamente para esvaziar o depósito superior e encher o depósito
inferior. Volte a fechar a válvula.
Para incrementos de 1 V na tensão de alimentação da bomba (potenciómetro VOLTIOS, ver
figura 5), meça o sinal de saída do condicionador e registe os valores na tabela 1. Nota:
Deverá medir para cada incremento o tempo que manteve a alimentação nesse patamar, bem
como os níveis inicial e final na escala do depósito superior, para que possa calcular
posteriormente o caudal em l/min.
Alimentação
bomba (V)
Saída
Caudal
(V)
(l/min)
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
Tabela 1
A partir da tabela 1, represente graficamente a relação sinal de saída/caudal. Comprove que o
sinal de saída e o caudal estão relacionados por uma função quadrática
A partir dos dados e do gráfico, determine a sensibilidade e comente quanto à não linearidade
do sensor.
5. Questionário
Q1
Que resultados se obteriam se se trocassem entre si as ligações dos dois sensores?
Q2
Este sensor de caudal é unidireccional?
Q3
Qual é a função do bloco amplificador do condicionador que se situa a seguir aos dois
filtros?
EACI 06/07 – Trabalho de Laboratório nº 6
4
Saída (V)
Saída = f (Caudal)
Q (l/min)
EACI 06/07 – Trabalho de Laboratório nº 6
5