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.
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