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1. Resumo

No cotidiano, laboratórios de engenharia e em processos industriais há a necessidade de se medir variáveis como pressão, temperatura, vazão e nível.

A pressão pode ser medida de várias maneiras diferentes e o tipo de instrumento a ser utilizado para a medição de pressões 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.

2. Introdução

Pressão é definida como força por unidade de área. Os valores de pressão devem ser informados com relação a um nível de referência. Se o nível de referência for o zero absoluto, a pressão é caracterizada como pressão absoluta. Além da pressão absoluta, tem-se os seguintes tipos de pressão:

• Pressão atmosférica: é a pressão exercida pelo ar atmosférico;

• Pressão manométrica: tem pressão atmosférica como referência. Ela pode assumir valores positivos (maiores que o da pressão atmosférica) e negativos, também chamado de vácuo. A maioria dos instrumentos industriais mede a pressão manométrica.

• Pressão diferencial: é o resultado da diferença de duas pressões medidas. Em outras palavras, é a pressão medida em qualquer ponto, menos no ponto zero de referência da pressão atmosférica.

Quando um fluido está em movimento outros tipos de pressão podem ser medidos:

• Pressão estática: é a pressão transmitida pelo fluido nas paredes da tubulação ou do vaso. Ela não varia na direção perpendicular a tubulação, quando a vazão é laminar.

• Pressão dinâmica: é a pressão devida à velocidade do fluido. Também chamada de pressão de impacto. Pode ser calculada através da seguinte equação: Pd = ( ρ . V2 ) / 2, onde Pd é a pressão dinâmica, ρ é a massa específica do fluido e V é a velocidade do fluido.

• Pressão total: é obtida quando um fluido em movimento é desacelerado para a velocidade zero, em um processo sem atrito e sem compressão. Matematicamente, ela é igual a soma da pressão estática e da pressão dinâmica.

Pressão Absoluta Pressão Manométrica

Pressão Atmosférica (leitura do barômetro) Pressão Atmosférica

Pressão acima da pressão atmosférica local

Vácuo

A figura abaixo esquematiza a medição de pressão num fluido em movimento:

A unidade de pressão no sistema internacional (SI) é o Pascal (Pa) e é definida como Newton/metro2. Geralmente utiliza-se kPa ou MPa pelo fato de Pascal ser uma unidade muito pequena. A figura abaixo mostra as unidades envolvidas na medição de pressão – F(força), A (área transversal) e P (pressão):

A grande vantagem do uso do pascal, no lugar do psi (lbf/in2), kgf/cm2 e m de coluna liquida é que o pascal não depende da aceleração da gravidade do local e da densidade do liquido. Apesar do Pascal ser a unidade do SI de pressão, a unidade escolhida dependerá da abordagem, da análise e da facilidade de leitura.

Tabela com valores de pressão em Pascal em realação a outras unidades:

Unidade não SI Unidade SI 1 atm 1,013 25 x 105 Pa 1 bar 1,0 0 x 105 Pa 1 kgf/cm2 9,806 65 x 104 Pa 1 m H2O 9,806 65 Pa 1 m Hg 133,322 Pa 1 psi 6,894 76 x 103 Pa 1 torricelli 1,3 2 x 102 Pa

Unidades comuns de pressão utilizadas no dia-adia são a coluna d'água ou de mercúrio para expressar pequenas pressões, é muito trivial também utilizar o psi como unidade de pressão, às vezes, modificada

Pressão Total Pressão Estática como psig (para pressão manométrica) psia (para pressão absoluta), para indicar respectivamente pressão manométrica e absoluta.

3. Medição de Pressão

Virtualmente, todas as medidas de pressão são baseadas no princípio do manômetro ou no conceito de deformação por pressão de um material sólido tal como cristal, membrana, tubo ou placa e, então, na conversão daquela deformação em um sinal elétrico ou em uma leitura mecânica. As medidas de pressão podem estar em modo estático ou dinâmico.

A medição e o controle da pressão tem como objetivos a proteção de equipamentos; a proteção de pessoal; a medição de outra variável, por inferência; o controle do processo, para a obtenção do produto dentro das especificações exigidas.

3.1. Conceitos Físicos Importantes para Medição de Pressão

Lei da Conservação de Energia (Teorema de Bernoulli)

Relaciona as energias potenciais e cinéticas de um fluido ideal ou seja, sem viscosidade e incompressível.

Onde g é a aceleração da gravidade e h é a altura.

Teorema de Stevin (Vasos comunicantes)

Relaciona as pressões estáticas exercidas por um fluido em repouso com a altura da coluna do mesmo em um determinado reservatório.

Onde δ é o peso específico do líquido no reservatório.

Princípio de Pascal

A pressão exercida em qualquer ponto de um líquido estático e incompressível, se transmite integralmente em todas as direções e produz a mesma força em áreas iguais.

Onde F é a força exercida perpendicularmente sobre o líquido e A é a área transversal.

Equação Manométrica

Esta equação relaciona as pressões aplicadas nos ramos de uma coluna de medição e altura de coluna do líquido deslocado.

4. Medidores de Pressão

Uma diversidade de sensores e transdutores de pressão está 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.

O Instituto Nacional Americano de Padronização (ANSI) classifica os manômetros em sete classes de precisão:

O manômetro mais preciso, classe ANSI 4A tem precisão de ±0,1% do fundo de escala. Eles tem diâmetro de 12 ou 16". Eles necessariamente devem ter grande tamanho físico, para possibilitar a leitura de 0,1%. É chamado de Manômetro de Precisão de Laboratório.

O manômetro com classe 3A é calibrado para uma precisão de ±0,25% do fundo de escala. Ele tem diâmetro de 6". É chamado de Manômetro de Teste.

O manômetro com classe 2A, com precisão de ±0,5% do fundo de escala, também com diâmetro de 4 1/2" é chamado de Manômetro de Processo. É usado para a medição contínua do processo.

Outros manômetros, com classes A, B, C e D, tem precisões respectivas de ±1%, ±2%, 3-4% e 5% do fundo de escala.

4.1. Tipos de Medidores de Pressão

Os manômetros padrão devem ter alta precisão, pois são utilizados como padrão para a calibração de manômetros industriais.

Manômetro tipo coluna líquida em U:

Utilizado para calibrar medidores de pressão pequena. O uso da coluna líquida para a medição de pressão se baseia no princípio que uma pressão aplicada suporta uma coluna líquida contra a atração gravitacional. Quanto maior a pressão, maior a coluna líquida suportada. A unidade de pressão da coluna líquida é o comprimento. Água e mercúrio são os líquidos mais usados; a água por ser o mais disponível e o mercúrio por ter uma altíssima densidade e como conseqüência, implicar em pequenas alturas de coluna. Para melhorar a precisão devem ser considerados os seguintes parâmetros: a expansão da escala graduada; valor exato da aceleração da gravidade local; não verticalidade do tubo; dificuldade da leitura do menisco do liquido formado pela capilaridade; densidade do fluido cuja pressão está sendo medida, isto ainda depende da temperatura e da pressão. O manômetro tipo coluna líquida em U pode ter várias formas, para aumentar sua precisão, como manômetro com poço, com escala inclinada e com micrômetro.

Manômetro tipo peso morto:

O manômetro tipo peso morto opera sob o princípio de se suportar um peso (força) conhecido por meio de uma pressão agindo sobre uma área conhecida. Isso satisfaz a definição de um padrão primário baseado em massa, comprimento e tempo. Os pesos para um dado instrumento de teste são normalmente identificados em termos de pressão, em vez de peso. A figura abaixo mostra um manômetro tipo peso morto.

4.1.2. Manômetros Mecânicos

A pressão é determinada pelo balanço de um sensor contra uma força desconhecida. Isto pode ser feito por outra pressão (balanço de pressão) ou força (balanço de força). Os sensores a balanço de força mais usados são aqueles que requerem deformação elástica, como bourdon, foles e diafragmas. Os sensores a balanço de pressão mais conhecidos são o manômetro de coluna líquida e o detector de peso morto.

Tabela com os principais manômetros mecânicos, aplicação e faixa de aplicação:

Tubo de Bourdon Não apropriado para micropressão ~ 1000 kgf/cm²

Diafragma Baixa Pressão ~ 3 kgf/cm² Fole Baixa e média pressão ~ 300 mmH2O

Manômetro tipo Tubo Bourdon

O Tubo de Bourdon consiste em um tubo com seção oval, que poderá estar disposto em forma de “C”, espiral ou helicoidal, tem uma de suas extremidades fechada, estando a outra aberta à pressão a ser medida. Com a pressão agindo em seu interior, o tubo tende a tomar uma seção circular resultando um movimento em sua extremidade fechada. Esse movimento através de engrenagens é transmitido a um ponteiro que irá indicar uma medida de pressão em uma escala graduada. Este elemento não é adequado para baixas pressões, vácuo ou medições compostas (pressões negativa e positiva), porque o gradiente da mola do tubo Bourdon é muito pequeno para medições de pressões menores que 200 kPa. A precisão dos dispositivos é uma função do diâmetro do tubo Bourdon, da qualidade do projeto e dos procedimentos de calibração. Ela varia de ± 0,1% a ± 5% da amplitude de faixa, com a maioria caindo na faixa de ± 1%.

As figuras abaixo mostram quatro manômetros tipo tubo bourdon: em cima, à esquerda é mostrado um tubo de bourdon tipo “C” e a direita os mecanismos associados a este tipo de manômetro; abaixo, à esquerda um tubo de bourdon tipo espiral e à direita helicoidal.

Manômetro tipo Diafragma

Diafragma é um disco circular utilizado para medir pressões geralmente de pequenas amplitudes. É uma membrana fina de material elástico, metálico ou não, que fica sempre oposta a uma mola. Ao aplicar-se uma pressão no diafragma causará um deslocamento do mesmo até um ponto onde a força da mola se equilibrará com a força elástica do diafragma. Este deslocamento resultante é transmitido a um ponteiro que mostra a medição efetuada. Sua construção é mostrada na figura abaixo:

Em geral os materiais utilizados na confecção de diafragma são aço inoxidável com resistência à corrosão, tântalo, latão, bronze fosforoso, monel, neoprene e teflon.

A figura abaixo mostra um manômetro tipo diafragma:

Manômetro tipo Fole

Fole é um dispositivo que possui rugas no círculo exterior que, ao se aplicar pressões no sentido do eixo, se expande ou se contrai. As desvantagens do fole são sua dependência das variações da temperatura ambiente e sua fragilidade em ambientes pesados de trabalho. 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.

Seguem abaixo figuras mostrando manômetros tipo fole:

5. Transdutores de Pressão Elétricos

Os sensores de pressão eletrônicos podem ser dos tipos distintos: ativos e passivos. O sensor ativo é aquele que gera uma militensão sem necessitar de nenhuma polarização ou alimentação. O sensor eletrônico passivo é aquele que varia a resistência, capacitância ou indutância em função da pressão aplicada. Ele necessita de uma tensão de alimentação para funcionar.

Transdutor tipo Strain Gauge (Fita Extensiométrica)

É um dispositivo que mede a deformação elástica sofrida pelos sólidos quando estes são submetidos a pressões. Trata-se de fitas metálicas fixadas nas faces de um corpo a ser submetido ao esforço de tração ou compressão e que tem sua seção transversal e seu comprimento alterado devido a esse esforço imposto ao corpo.

Transdutor Capacitivo

Consiste de um diafragma de medição que se move entre dois diafragmas fixos. Entre os diafragmas fixos e o móvel existe um líquido de enchimento que funciona como um dielétrico. Visto que um capacitor de placas paralelas é constituído por duas placas paralelas separadas por um meio dielétrico, ao sofrer o esforço de pressão, o diafragma móvel (que é uma das placas do capacitor) tem sua distância modificada em relação ao fixo. Isso gera uma mudança na capacitância, podendo-se medir a pressão.

Além dos transdutores tipo strain gauge e capacitivo, existem também os seguintes tipos de trandutores de pressão elétricos: piezoelétrico, resistivo e potenciométrico.

Diafragma Placas paralelas

6. Medidores de Pressão Comerciais

Visto a teoria que se aplica aos medidores de pressão, bem como as formulações matemáticas, serão listados vários tipos de medidores de pressão utilizados em indústrias. A listagem mostrará as aplicações do produto, a faixa de operação e construção, bem como outros dados do medidor. 6.1.5. Manômetros Todos os manômetros listados utilizam um elemento sensor do tipo Bourdon, explicado anteriormente.

- Manômetros de processo

Modelo PBIN – Fabricante WILLY

Faixa de pressão: Do vácuo até 1600kgf/cm². Opcionalmente faixa de 3 a 15 psi para uso como receptor pneumático. Possui escalas especiais para refrigerantes industriais ou prensas hidráulicas. Temperatura de operação: Mínima de -7°C, e máxima de 65°C para ambiente e fluido de processo. Precisão: 1%. Aplicação: É utilizado para leitura de pressão em processos químicos, petroquímicos, alimentícios, usinas geradoras de energia, equipamentos industriais e indústrias em geral.

Modelo 18 – Fabricante ASHCROFT

Faixa de pressão: De 250mmH2O até 6000mmH2O. Temperatura de operação: Mínima do -7°C, e máxima de 65°C para ambiente e fluido de processo.

Precisão: 2/1/2%. Aplicação: É utilizado para a leitura de baixas pressões em aplicações de alta precisão em plantas químicas, petroquímicas, papel e celulose ou na indústria em geral.

- Manômetros industriais

Modelo NWR – Fabricante WILLY

Faixas de Pressão: De vácuo até 1000kgf/cm². Temperatura de Operação: Mínima de -7°C e máxima de 65°C para ambiente e fluido de processo. Precisão: 2/1/2%. Aplicação: É utilizado para leitura de pressão em indústrias em geral, equipamentos industriais, sistemas de efluentes, sistemas hidráulicos e pneumáticos, e outros. Deve ser mantido ao abrigo do tempo.

Faixas de pressão: De vácuo até 9.9 psi

Modelo D1005PS – Fabricante ASHCROFT Temperatura de operação: De -10 °C até 60°C (14°F até 140°F). O desvio máximo é 0,05% por °C. Para faixas de vácuo a 30 psi o desvio máximo é de 0,07% por °C. Temperatura de armazenagem: De -20°C até 70°C (-4°F até 158°F). Precisão: 0,5%. Aplicação: É utilizado para leitura de pressão com indicação digital em indústrias em geral, equipamentos industriais, sistemas de efluentes, sistemas hidráulicos e pneumáticos, e outros. Pode ser usado ao abrigo do tempo ou opcionalmente com proteção para uso em locais abertos.

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