Medição de Pressão - SENAI - MG

Medição de Pressão - SENAI - MG

(Parte 1 de 3)

Rua São Jerônimo 1717 - Horto - Belo Horizonte - MG - CEP 31035-490

Tel.: (031) 482-5576 - FAX (031) 482-57 email: cetel@fiemg.com.br - home page: w.fiemg.com.br/senai/cetel

Medição de Pressão SENAI-CETEL

Este texto se destina a estudantes que lidam diretamente na indústria ou que estão em formação na área técnica industrial seja em nível médio ou superior. Ele é bastante básico e suscinto em sua introdução nos conceitos fundamentais da medição de pressão, tornando-se de boa utilidade como uma referência bibliográfica direta para dúvidas mais práticas. É estabelecida neste texto uma seqüência lógica - e ao mesmo tempo cronológica - da utilização dos medidores de pressão aplicados aos processos industriais. Inicia-se, pois, com a medição de pressão através de colunas fluidas, passando à descrição dos manômetros de diafragma e foles, chegando aos transdutores mais utilizados em transmissores industriais que são os strain gauges e as células capacitivas.

Após a descrição destes últimos elementos é feita uma pormenorizada análise dos transmissores, fornecendo-se aspectos de funções internas, construção, instalação, manutenção e programação. Para finalização, deixamos alguns anexos que fornecem informações, desenhos e esquemas adicionais que enriquecem alguns dos conteúdos tratados.

Belo Horizonte, 1/01/2000

Medição de Pressão SENAI-CETEL

1. MEDIÇÃO DE PRESSÃO4
1.1. INTRODUÇÃO4
1.2. MEDIÇÃO DE PRESSÃO EM COLUNAS DE LÍQUIDO4
1.2.1. TUBO EM “U”5
1.2.2.MANÔMETRO DE RESERVATÓRIO6
1.2.3. MANÔMETRO DE RESERVATÓRIO DE TUBO INCLINADO7
1.2.4. MANÔMETRO DE ANEL8
1.3. TUBOS DE BOURDON8
1.4. MANÔMETRO DE FOLE10
1.5. MANÔMETROS DE DIAFRAGMA10
1.6. STRAIN GAUGE1
1.7. CÉLULA CAPACITIVA13
1.8. TRANSMISSORES DE PRESSÃO15
1.8.1. INTRODUÇÃO15
1.8.2. ASPECTO CONSTRUTIVO15
1.8.3. INSTALAÇÃO16
1.8.4. CONEXÃO ELÉTRICA17
1.8.5. FUNÇÕES INTERNAS DOS TRANSMISSORES18
1.8.6. FUNÇÃO DE TRANSFERÊNCIA DOS TRANSMISSORES20
1.9. ACESSÓRIOS ÚTEIS PARA USO EM MEDIÇÃO DE PRESSÃO21
1.9.1. ACESSÓRIOS GERAIS21
1.9.2. VÁLVULAS MANIFOLD24
1.10. ALGUMAS INSTALAÇÕES TÍPICAS DE TRANSMISSORES DE PRESSÃO26
ÍNDICE REMISSIVO3

Medição de Pressão SENAI-CETEL

Como já dito anteriormente, pressão é o efeito de uma força atuando em uma determinada área e suas unidades nos sistemas MKS e CGS não são industrialmente utilizadas. As unidades de pressão mais utilizadas são:

- No sistema Métrico:

(lê-se quilograma-força por centímetro quadrado) - No sistema Inglês:

(lê-se libra por polegada quadrada ou sjmplesmente psi )

A conversão de uma unidade em outra pode ser feita facilmente se lembrarmos que 1 libra = 0,4536 kg. Assim:

E inversamente:

Observe esta última representação. Colocamos kg/cm2 e não kgf/cm2 como havia sido dito anteriormente. Sim, esta é uma outra forma bastante usual de se representar esta unidade e pode ser utilizada. Fatores de conversão entre as demais unidades mais utilizadas encontram-se no anexo 1.

Nas medições de pressão, uma das práticas mais comuns é a de se utilizar uma coluna líquida afim de se medir uma determinada pressão. Isto é feito equilibrando-se a pressão a ser medida, com a pressão da coluna líquida. As unidades de pressão mais comumente utilizadas para representação de colunas de líquido são:

Desta forma, se a coluna de fluido for preenchida com água e estiver com um metro de altura, a indicação pode ser feita em unidades de coluna de água e valerá, neste caso,

1000mmH2O. Uma importante observação a ser feita é que a coluna de fluido depende diretamente da densidade do fluido – qual é mesmo a equação que nos diz isto? – e esta por sua vez depende da

2cm kgf

lbou2

psiin

1 1 cmkgcmkginch

Medição de Pressão SENAI-CETEL temperatura. Portanto, ao medirmos uma pressão através de coluna líquida e esta exigir precisão devemos especificar qual é a nossa temperatura de referência e efetuar sua correção caso esta difira da temperatura de trabalho. Deixamos abaixo uma tabela com as variações da densidade do mercúrio e da água em função da temperatura de 0 a 40oC:

Temperatura

(ºC)Densidade do Hg (g/cm3)Densidade do

Exemplo: Uma coluna de mercúrio indica 200,0 mmHg à temperatura ambiente de 25oC. Qual seria a altura da coluna a 0oC?

Resolução:

Relacionaremos agora, alguns instrumentos que utilizam o princípio da coluna líquida:

Pode ser usado para medição de: a) Diferenças de pressões, aplicando-as uma a cada extremidade do tubo; b) Pressões Relativas, abrindo-se um dos lados para a atmosfera. As pressões relativas podem ser positivas ou negativas; c) Pressões Absolutas, deixando um dos lados referenciado ao vácuo. As leituras no tubo em U são feitas medindo-se a diferença de nível do líquido nos dois braços, de acordo com a escala graduada no próprio tubo.

Na figura abaixo, vemos duas aplicações do tubo em U: Fig.01_Desenho de um tubo em U mmHgh h

Ch mmCh hhhghg o o

0 a altura

0 a mercúrio do densidade 25 a mercúrio do densidade :onde

Medição de Pressão SENAI-CETEL

Fig.02_ Aplicações do Tubo em U 1.2.2. MANÔMETRO DE RESERVATÓRIO

Fig.03_Desenho de um manômetro de reservatório

A sua construção e o seu princípio de funcionamento são semelhantes ao do tubo em U.

No entanto, uma das colunas do tubo é substituída por um reservatório no qual a pressão a ser medida, ou a pressão maior, é aplicada. A leitura do valor medido é feita somente no tubo de menor diâmetro onde localiza-se a escala de pressão. Esta escala deve passar por um fator de correção devido ao seguinte fato: quando o nível de líquido sobe na coluna de medição, desce no reservatório e portanto o zero da escala de medição se altera. Sendo assim, analisemos a figura anterior: Sejam:

Hi = coluna indicada hc = deslocamento do zero A1 = área da coluna A2 = área do reservatório

Considerando os volumes deslocados nos dois lados:

como

A h

AhAh h

AhAhAhAhhAh hhhAhAh i i i izzi

Medição de Pressão SENAI-CETEL

Portanto, o fator de correção pelo qual devemos multiplicar o valor indicado é:

Geralmente, as escalas já são construídas multiplicadas pelo fator de correção não sendo, pois necessário, fazer a correção.

Exemplo: Num manômetro de reservatório de contendo mercúrio, de cuba retangular de dimensões 5 por 10cm e tubo de vidro de 8mm de diâmetro, pergunta-se. Qual o fator de correção e qual é a pressão real quando a escala indicar 50mmHg?

Resolução: Área da coluna:

Área do reservatório:

Portanto o fator de correção será:

Logo a pressão real quando o valor lido é 50mm é:

1.2.3. MANÔMETRO DE RESERVATÓRIO DE TUBO INCLINADO

Fig.04_Desenho de um manômetro de reservatório de tubo inclinado

O uso e o princípio de funcionamento deste manômetro é também semelhante aos anteriores com a adição do fato de este fornecer uma maior precisão em medidas de baixa pressão devido à sua escala inclinada

A quem se interessar é facilmente demonstrável que se usarmos uma escala na vertical para este tipo de manômetro esta deve ter um fator de correção de

onde: α = ângulo de inclinação do tubo de medição

A fc

A fc

Medição de Pressão SENAI-CETEL

Este manômetro também é conhecido como manômetro de torque radial pelo seu princípio de funcionamento. Ele é constituído como mostra a figura 05 de um tubo em forma de anel segmentado em dois compartimentos onde são injetadas as pressões. Estes dois compartimentos tem como meio de separação, um líquido (geralmente mercúrio) colocado na parte inferior do anel. À medida que a diferença de pressão entre as duas câmaras aumenta, o líquido se desloca mudando o centro de gravidade do anel, produzindo desta forma um torque que o faz girar em torno de seu ponto fixo.

Fig.05_Desenho do manômetro de anel

Em acordo com a figura 05 e com os dados nela colocados, está a equação abaixo que descreve a relação entre a diferença de pressão entre e a rotação do anel. Esta equação é bastante simples de ser demonstrada bastando para tal fazermos um equilíbrio de forças no anel. Fica a cargo do leitor tal exercício.

De uma forma mais simplificada:

o que nos diz que o ângulo de rotação é proporcional à diferença de pressão aplicada.

Este tipo de manômetro pode ser encontrado em faixas que vão desde 5mmH2O até

13mH2O. Em tiragens de caldeiras, por exemplo, este tipo de manômetro é indicado, pois pressões bem próximas da atmosfera ou até mesmo absolutas, podem ser medidas, dependendo da pressão de referência utilizada.

Consistem de tubos de seção elíptica com uma das extremidades fechadas e outra aberta para a tomada de pressão. O formato destes tubos pode ser em forma de “C”, em forma de espiral ou helicoidal, como mostra as figura 06. O mais utilizado na indústria é o tubo em forma de C.

d p

Medição de Pressão SENAI-CETEL

Fig.06_Tubos de Bourdon tipo C e Espiral

O funcionamento do tubo de Bourdon, independente de seu formato, baseia-se no fato de ao aplicarmos pressão na extremidade aberta, a seção transversal do tubo tende a aumentar aproximando-se de uma forma circular. Como a outra extremidade está fechada, o tubo tenta, portanto se “desenrolar” produzindo uma deflexão no ponteiro a ele agregado.

Fig.07_Desenho do Tubo de Bourdon tipo C

O tubo de Bourdon tipo C é o mais utilizado e tem uma faixa de trabalho que varia de 0,5 a 7000 kg/cm2. Como o deslocamento do tubo de Bourdon tipo C é relativamente pequeno, ele não é adequado para medição de baixas pressões. O que já não acontece com os dois outros tipos que apresentam uma maior sensibilidade devido ao formato de cada um deles proporcionar um efeito de soma de vários tubos de Bourdon tipo C, resultando num maior deslocamento da extremidade livre.

Só como uma referência ao leitor, os elementos geralmente são fabricados de bronze, para pressões entre 0,5 e 50 kg/cm2 e aço comum, aço inoxidável ou monel para pressões até

7000kg/cm2

Medição de Pressão SENAI-CETEL

A pressão exercida pelo fluido na entrada deste instrumento, atua sobre um fole com uma força que vale o produto desta pressão pela área do fole. A essa força opõe-se a força elástica da mola (fole) que é o produto do coeficiente de elasticidade da mola pelo seu deslocamento. Numa posição de equilíbrio:

E a equação acima nos dá o resultado de que o manômetro mostrado na figura 8 produz um deslocamento proporcional à pressão aplicada. Este deslocamento por sua vez, é levado a um ponteiro que indica de acordo com a escala do instrumento, o valor da pressão aplicada nele.

Estes manômetros são utilizados em faixas de pressão que variam de 5” H2O a 40 psi

Fig.08_Desenho do Manômetro de Fole

Um diafragma é um elemento flexível de área conhecida que sofre uma deformação – de acordo com a Lei de Hooke – ao aplicarmos uma pressão sobre ele. O movimento do diafragma, ocorrido ao aplicarmos uma pressão contra ele, é transmitido a um eixo ligado ao seu centro. O deslocamento deste eixo – que é o deslocamento do diafragma – é utilizado direta ou indiretamente para a indicação da pressão medida. O span destes instrumentos podem estar entre

0,5 e 120” H2O para o diafragma simples. Uma outra disposição do diafragma é o tipo cápsula de diafragma – figura 09 - que utiliza um ou mais pares de diafragmas com as bordas soldadas entre si. Para este elemento tipo cápsula de diafragma o span chega a variar entre 20” H2O a 400 psig. Um tipo extremamente comum de instrumento que utiliza este princípio de funcionamento é o manômetro de escala vertical, mostrado na figura 9.

Fig.09_Desenho do Manômetro tipo Cápsula de Diafragma - de escala vertical

Medição de Pressão SENAI-CETEL

O princípio básico de seu funcionamento é o de variação da resistência de um condutor ao variarmos o seu comprimento.

R = resistência do condutor ρ = resistividade do condutor l = comprimento do condutor

A = área da seção transversal do condutor

Consiste de um fio fino semicondutor, que é cementado na parede de um material elástico.

O diâmetro deste fio é da ordem de menos de 20µm. A figura abaixo mostra uma forma típica de montagem da tira extensiométrica. Estas tiras possuem um resistência básica R - que tipicamente é padronizada em 120, 350 ou 1000 ohms - que é alterada quando submetemo-la à ação de uma

tensão mecânica – ou uma pressão.

A variação relativa de resistência ∆R/R, é proporcional à variação relativa do comprimento ε = ∆L/L. Portanto:

O fator de proporcionalidade k depende do material em questão. Para o Constantan que tem boa sensibilidade e linearidade, por exemplo, o fator k = 2. A distensão normal de elementos extensiométricos produz, geralmente variações relativas de resistência da ordem de 10-3. No entanto, este valor pode ser alterado caso o fio seja feito de semicondutores. O que nos faz ganhar por um lado, no entanto, nos faz perder em linearidade e depender das variações de temperatura – característica dos semicondutores. Na prática, é muito usado mais de um strain gauge num instrumento. Esse número varia entre 2, 4 ,8 ou mais elementos - só em casos específicos - por célula de medição. Uma aproximação simples com duas tiras nos leva a uma análise simplificada, porém bastante eficaz de seu funcionamento.

Fig.10_Características Gerais e de Instalação de Strain Gauge

:onde

A lR ρ=

Medição de Pressão SENAI-CETEL

Entre as inúmeras aplicações de Strain Gauge, encontra-se a medição de massa e peso de recipientes estacionários, medição do peso de veículos, cargas de veículos e recipientes para transporte, assim como medição de quantidade em silos de armazenamento de grãos e de deformações de partes mecânicas de máquinas. Em algumas destas aplicações, os strain gauges são colocados em células chamadas células de medição dinamométricas ou células de carga. Alguns tipos podemos ver na figura 1.

Fig.11_Fotografia de Células de Carga e do posicionamento dos Strain Gauges interiormente

Os circuitos utilizados na recepção e tratamento do sinal de um strain gauge são muito variados e dependem da concepção de cada fabricante. No entanto a maioria se utiliza de uma ponte de Wheatstone para receber o sinal para então passá-lo por um circuito amplificador e assim dar o tratamento necessário – analógico ou digital – para a obtenção do sinal de saída característico do instrumento como um todo. Um exemplo de circuito típico é mostrado na figura 12

Fig.12_Circuito de Recepção e tratamento do sinal de um Strain Gauge

Medição de Pressão SENAI-CETEL

Enquanto, o strain gauge baseia-se na conhecida equação colocada no princípio de sua descrição, a célula capacitiva baseia-se numa outra conhecida equação:

Fig.13_Célula capacitiva da FISHER ROSEMOUNT

A figura 13 nos sugere o seu princípio de funcionamento. A célula capacitiva é formada por um corpo de metal onde encontram-se duas placas fixas em forma de cuia e uma placa flexível, no centro. Temos portanto a formação de dois capacitores com a placa central sendo pertencente aos dois. Ao aplicarmos pressão entre os dois diafragmas de entrada da célula esta é transmitida às duas câmaras centrais produzindo uma deflexão na placa central. Desta forma, a placa central se afasta de uma das placas e se aproxima da outra, fazendo com que um dos capacitores aumente seu valor de capacitância e o outro diminua.

Em termos de seu aspecto construtivo, o material do dielétrico - fluido de preenchimento - que separa os capacitores varia com a pressão que se quer medir, mas geralmente é feito de óleo silicone. A máxima deflexão sofrida pela placa central é de geralmente, no máximo, 0,1mm. Uma pequena tabela apresenta algumas variações do material do diafragma e do seu fluido de enchimento.

placas entre Distância placas das Área placas entre meio do dielétrica Constante iaCapacitânc :onde d A

Medição de Pressão SENAI-CETEL

Material do diafragmaFluido de Enchimento Aço Inox 316 SSTSilicone

Aço Inox 316 SSTFluorube

Hastelloy C276 Silicone Hastelloy C276 Fluorube

Monel 400Silicone

Tântalo Silicone Tântalo Fluorube

Especial Especial

Tabela 01_Material do diafragma e fluido de enchimento de células capacitivas da SMAR

(Parte 1 de 3)

Comentários