Apostila Instrumentação Industrial

Apostila Instrumentação Industrial

(Parte 2 de 4)

TUBO DE BOURDON: A maioria dos medidores de pressão usada industrialmente emprega um tubo de Bourdon. O tubo de Bourdon é formado por um tubo oval que tende a ficar circular com a aplicação de uma pressão interna.

O tubo de Bourdon pode ser curvado em várias formas constituindo o elemento sensor de diversos medidores.

Existem configurações na forma de C, helicoidal, espiral e torcida. O medidor de tubo helicoidal que possui a uma vantagem principal sobre a configuração C, ele pode indicar o maior movimento sem o uso de engrenagens.

Instrumentação Industrial Sensores e Transdutores

Página 19 de 119

Figura 08 – Tubos de Bourdon

MANÔMETRO: é instrumento destinado a medir pressão (absoluta, relativa ou diferencial) composta em sua maioria de três partes básicas, sendo elas, o elemento elástico responsável em sofrer a ação da variação de pressão, por exemplo, os tubos de Bourdon, um elemento apresentador de dados, ou seja, uma escala e um mecanismo responsável em receber a variação do elemento elástico e atuar o elemento apresentador de dados.

Na figura 09 abaixo mostra um manômetro com um tubo de Bourdon. Uma das extremidades (inferior) é selada presa a um quadrante pivotado. A outra extremidade (superior) está conectada a um sistema dentado que por sua vez está conectado aos dentes de uma engrenagem que movimenta o ponteiro, ou seja, a deformação produzida. No tubo é amplificada mecanicamente e transformada em movimento angular de um ponteiro associado a uma escala previamente calibrada.

Figura 09 – Parte Interna de um Manômetro com Tubo de Bourdon

Instrumentação Industrial Sensores e Transdutores

Página 20 de 119

MANÔMETRO DIFERENCIAL: este tipo construtivo é adequado para medir a diferença de pressão entre dois pontos quaisquer do processo. É composto de dois tubos de Bourdon dispostos em oposição e interligados por articulações mecânicas e dotado de dois pontos de tomada de pressão, porém não mede qual é a pressão nesses pontos e sim a diferença de pressão entre os pontos.

Figura 10 – Parte Interna de um Manômetro Diferencial

MANÔMETRO DUPLO: é um manômetro com dois Bourdon e mecanismos independentes e utilizados para medir duas pressões distintas, porém com mesma faixa de trabalho. A vantagem deste tipo está no fato de se utilizar uma única caixa e um único mostrador.

Figura 1 – Manômetro Duplo

Instrumentação Industrial Sensores e Transdutores

Página 21 de 119

MANÔMETROS COM SELAGEM LÍQUIDA: em processos industriais que manipulam fluidos corrosivos, viscosos, tóxicos, sujeitos à alta temperatura e/ou radioativos, a medição de pressão com manômetro tipo elástico se torna impraticável pois o Bourdon não é adequado para essa aplicação, seja em função dos efeitos da deformação proveniente da temperatura, seja pela dificuldade de escoamento de fluidos viscosos ou seja pelo ataque químico de fluidos corrosivos.

Nesse caso, a solução é recorrer a utilização de algum tipo de isolação para impedir o contato direto do fluido do processo com o Bourdon. Existem Basicamente dois tipos de selagem utilizada, sendo elas:

9 Isolação com selagem líquida: utiliza um fluido inerte em contado com o bourdon e que não se mistura com o fluido do processo;

9 Isolação com selagem líquida e diafragma como selo: O fluido de selagem mais utilizado nesse caso é a glicerina, por ser inerte a quase todos os fluidos. Este método é o mais utilizado e já é fornecido pelos fabricantes quando solicitados.

Isolação com selagem líquida Isolação com selagem líquida e diafragma como selo

Figura 12 – Manômetros de Selagem Líquida

MANÔMETROS COM SENSOR DO TIPO DIAFRAGMA: o manômetro com sensor do tipo diafragma é um disco circular utilizado para medir pressões geralmente de pequena amplitude.

Instrumentação Industrial Sensores e Transdutores

Página 2 de 119

Figura 13 – Detalhe do Funcionamento do Diafragma

O manômetro com sensor do tipo diafragma é composto por uma membrana fina de material elástico, metálico ou não. Neste manômetro, uma membrana fica sempre oposta a uma mola. Ao aplicar-se uma pressão no diafragma haverá um deslocamento do mesmo até o ponto onde a força da mola se equilibrará com a força elástica do diafragma. Este deslocamento resultante é transmitido a um sistema de indicação (ponteiro) que mostra a medição efetuada.

Figura 14 – Funcionamento do Manômetro com Diafragma

Os diafragmas metálicos são usados para medição de pressão relativamente baixas. O diafragma pode ser plano (disco circular) ou pode ser corrugado. Os diafragmas mais corrugados são geralmente usados em diâmetros maiores produzindo assim uma maior deflexão linear para baixa pressão. Entretanto com maiores dimensões e baixa pressão, a resposta dinâmica é pobre e o diafragma corrugado então é usado para medidas de pressão estáticas.

Figura 15 – Manômetro com Diafragma Corrugado

Instrumentação Industrial Sensores e Transdutores

Página 23 de 119

MANÔMETROS DO TIPO FOLE: Sensores do tipo diafragma (ou membrana) ou fole representam tipos similares de deformação elástica. Fole é um dispositivo que possui ruga no círculo exterior que tem a possibilidade de expandir-se e contrair-se em função de pressões aplicadas no sentido do eixo. Como a resistência à pressão é limitada, é usado para baixa pressão.

Figura 16 – Manômetro do Tipo Fole OUTROS TIPOS DE MANÔMETROS

Ainda existem outros tipos de manômetros que se utilizam de outros elementos sensores para a identificação de pressão, como exemplo, Strain Gauges, porém neste momento não iremos abordar devido a falta desses conceitos fundamentais. O conceito de pressão será novamente abordado de acordo com a abordagem de novos sensores no qual a medida de pressão é aplicável.

Instrumentação Industrial Sensores e Transdutores

Página 24 de 119

EXERCÍCIOS 1. Diferencie pressões manométrica, absoluta e diferencial.

2. Diferencie pressão estática de pressão dinâmica.

a. Pressão Absoluta ()

3. Relacione os conceitos de medição de pressão. É a diferença entre duas pressões desconhecidas, sendo nenhuma delas a pressão atmosférica.

b. Pressão Relativa

()

ou Manométrica É a diferença entre a pressão em um ponto particular num fluído e a pressão zero, isto é, vácuo completo.

c. Pressão

()

Diferencial Quando o elemento mede a diferença entre a pressão desconhecida e a pressão atmosférica local.

a. () Pressão Estática
b. () Pressão Dinâmica
c. () Pressão Diferencial
d. () Pressão Absoluta

4. A pressão exercida por um líquido em repouso ou que esteja fluindo perpendicularmente à tomada de impulso, por unidade de área exercida é denominada como.

5. Em processos industriais que manipulam fluidos corrosivos, viscosos, tóxicos, sujeitos à alta temperatura e/ou radioativos, a medição de pressão com manômetro tipo elástico se torna impraticável, pois o Bourdon não é adequado para essa aplicação, seja em

Instrumentação Industrial Sensores e Transdutores

Página 25 de 119 função dos efeitos da deformação proveniente da temperatura, seja pela dificuldade de escoamento de fluidos viscosos, ou seja, pelo ataque químico de fluidos corrosivos. Mediante a tais problemas qual seria o instrumento adequado?

a. () Manômetro de Selagem Líquida
b. () Manômetro Diferencial
c. () Manômetro Duplo
d. () Nenhuma das Alternativas

6. Aplica-se uma força de 80 N perpendicularmente a uma superfície de área 0,8 m2. Calcule a pressão exercida.

7. Qual a pressão exercida por um tanque de água que pesa 1000 N, sobre a sua base que tem um diâmetro de 2m?

8. Água contida num tanque exerce uma pressão de 40 N/m2 sobre a sua base. Se a base tem uma área de 10 m2, calcule a força exercida pela água sobre a base.

9. Um reservatório contém água até uma altura de 8 m. Determine a pressão hidrostática no fundo do reservatório. Dados: g = 9,8 m/s2, massa específica da água ρ = 1000 kg/m3.

10. Calcule a pressão total no fundo de um lago à profundidade de 20 m. São dados:

pressão atmosférica Patm = 105 N/m2; aceleração da gravidade g = 9,8 m/s2 e; massa específica da água ρ = 1000 kg/m3.

Instrumentação Industrial Sensores e Transdutores

Página 26 de 119

1. Calcule a pressão total no fundo de um rio a 10 m de profundidade. São dados: Patm = 105 N/m2; g = 9,8 m/s2 e; massa específica da água ρ = 1000 kg/m3

12. No sistema abaixo temos quatro pontos de tomada de pressão, o tanque está aberto e preenchido com água ρ = 103 kg/m3. Calcule a pressão nos pontos indicados sabendo que a pressão atmosférica Patm = 105 N/m2; aceleração da gravidade g = 9,8 m/s2

Instrumentação Industrial Sensores e Transdutores

Página 27 de 119

Na maioria das operações realizadas nos processos industriais é muito importante efetuar a medição e o controle da quantidade de fluxo de líquidos, gases e até sólidos granulados, não só para fins contábeis, como também para a verificação do rendimento do processo. Assim, estão disponíveis no mercado diversas tecnologias de medição de vazão cada uma tendo sua aplicação mais adequada conforme as condições impostas pelo processo. Neste capítulo abordaremos algumas destas tecnologias, suas aplicações, e os princípios físicos envolvidos, bem como os testes, calibração e suas interligações elétricas em forma de malhas de medição, registro, indicação e controle.

Vazão pode ser definida como sendo a quantidade volumétrica, mássica ou gravitacional de um fluido que passa através de uma seção de uma tubulação ou canal por unidade de tempo.

OBSERVAÇÃO: A vazão também pode ser obtida pelo resultado da multiplicação da área seccional pela média da velocidade do fluido.

VAZÃO VOLUMÉTRICA: é definida como sendo a quantidade em volume que escoa através de certa seção em um intervalo de tempo considerado. É representado pela letra Q e expressa pela seguinte equação:

(Equação 03)

Onde: Q = vazão em [m3/s] V = volume em [m3] t = tempo [s]

As unidades de vazão volumétricas mais utilizadas são: m3/s, m3/h, l/h, l/min GPM, Nm3/h e SCFH.

t VQQ V ==

Instrumentação Industrial Sensores e Transdutores

Página 28 de 119

VAZÃO MÁSSICA: é definida como sendo a quantidade em massa de um fluido que atravessa a seção de uma tubulação por unidade de tempo. É representada pela letra Qm e expressa pela seguinte equação:

(Equação 04)

Onde: Qm = vazão mássica em [kg/s] m = massa em [kg] t = tempo [s]

RELAÇÃO ENTRE UNIDADES: A relação entre as unidades de medição de vazão volumétrica e mássica pode ser obtida pela seguinte expressão:

(Equação 05)

Onde: ρ = massa específica em [kg/m3]

As unidades de vazão mássica mais utilizadas são: kg/s, kg/h, T/h e Lb/h.

VAZÃO GRAVITACIONAL: é a quantidade em peso que passa por uma certa seção por unidade de tempo. É representada pela letra Q. e expressa pela seguinte equação:

(Equação 06)

Onde:

Q ρ = vazão gravitacional [kgf/h]

W = peso em [kgf] t = tempo [h]

As unidades de vazão gravitacional mais utilizadas são: kgf/h e lbf/h.

t mQm =

Vm Q .ρ= t WQ =ρ

Instrumentação Industrial Sensores e Transdutores

Página 29 de 119

Iremos abordar os principais medidores de vazão, sendo que, os elementos primários de vazão podem ser classificados de acordo com a seguinte divisão:

9 PERDA DE CARGA VARIÁVEL (ÁREA CONSTANTE): Orifício Calibrado, Tubo de Venturi, Bocal, Tubo de Pilot;

9 ÁREA VARIÁVEL (PERDA DE CARGA CONSTANTE): Rotâmetro, Área-meter;

9 MEDIDORES DE VOLUME DO FLUIDO PASSANTE: Disco nutante, Pistão flutuante, Rodas ovais;

9 MEDIDORES DE VELOCIDADE (PELO IMPACTO DO FLUIDO): Tipo hélice, Tipo turbina, Target-meter;

9 MEDIDORES ESPECIAIS: Eletro-magnético, Ultra-sônico, Fio quente.

Vamos abordar alguns dos instrumentos medidores de vazão mais comumente utilizados no qual o conceito básico para se extrair a medida de vazão é através da perda de carga, ou seja, a diferença de pressão.

PLACA DE ORIFÍCIO: o orifício calibrado é o mais simples e flexível dos elementos primários de vazão. Consiste de um disco chato, de pouca espessura, com um orifício para passagem do fluido, que é colocado por meio de flanges na tubulação como indica abaixo.

Figura 17 – Placa de Orifício

Instrumentação Industrial Sensores e Transdutores

Página 30 de 119

Como pode ser visto na figura anterior, no orifício a seção transversal do fluido se contrai e a velocidade aumenta. Pelo teorema de Bernoulli nós sabemos que a pressão estática diminui à medida que a velocidade do fluido aumenta. A pressão estática em dois pontos diferentes da canalização pode ser medida por um instrumento de pressão diferencial e desde que esta diferença de pressão é uma função da vazão, o orifício pode ser calibrado convenientemente, tornando-se um elemento primário de vazão. Vamos deduzir a seguir a fórmula que nos dá a vazão em função da diferença manométrica pelo teorema de Bernoulli:

Dividindo por ρg.

gVgPgVgP 2

1+=+ρρ⇒ g

PPg V ρ

Mas P=ρ.g.h g ghghg V ρ

−=−⇒ 21

Fazendo h1 – h2 remos:

AVVAVA=∴=⇒ hgA

Instrumentação Industrial Sensores e Transdutores

Página 31 de 119

D hgV

D hgV hgV π π

A equação (Equação 07) abaixo não calcula a vazão mas a velocidade média de escoamento do fluido.

(Equação 07)

Onde:

V2 = velocidade de escoamento do fluido no ponto 2 em [m/s] g = aceleração da gravidade em [m/s2]

Δh = diferença da pressão anotada no tubo “U” em [m]

A vazão neste tipo de sistema pode ser obtida multiplicando a velocidade de escoamento pela área da secção transversal no mesmo ponto.

(Equação 08)

Onde: Q = vazão em [m3/s]

EXEMPLO: A figura abaixo mostra o diagrama de pressão sobre um sistema no qual a vazão é medida com o auxílio de uma placa de orifício. Nota-se que a placa de orifício proporciona ao sistema uma grande diferença de pressão entre montante e jusante o que dá a possibilidade de medir a vazão em função da pressão diferencial que é anotada no tubo em “U”. Com base na equação da velocidade de escoamento de um fluido deduzida

D hgV

Instrumentação Industrial Sensores e Transdutores

Página 32 de 119 a partir da equação de Bernoulli, vamos calcular a vazão do sistema ao lado tendo as seguintes informações:

Figura 18 – Variação da Pressão nas Paredes da Tubulação RESOLUÇÃO

1. Encontrar a velocidade de escoamento do fluido no orifício calibrado.

2. Encontrar a área da secção transversal do orifício calibrado.

2. Encontrar a vazão multiplicando a velocidade de escoamento do fluido pela área da secção transversal.

9 Ø Tubulação = 80 m.

9 Ø do orifício calibrado = 20 m.

9 Pressão diferencial anotada no tudo em “U” (Δh) = 10 m.

[] smVVV

Instrumentação Industrial Sensores e Transdutores

Página 3 de 119

Outra forma de calcularmos a vazão utilizando placa de orifício é através da seguinte equação, porém trata-se de uma equação aproximada, a vazão real depende de efeitos de velocidade, da razão das áreas A1/A2 e da condição da superfície do tubo:

(Equação 09)

Onde: Q: vazão (m3) C: coeficiente de descarga (aprox. 0,63 para a água se o diâmetro do orifício for ao menos metade do diâmetro do tubo) A: área do orifício (m2) d: densidade do fluido (kg/m2)

PM – PJ: diferença de pressões (Pa) g: aceleração da gravidade (9.81m/s2)

Nesse método extraímos a vazão basicamente através da pressão diferencial anotada em manômetros, podendo ser do tipo simples ou diferencial, sendo o segundo tipo o ideal. Outro ponto extremamente importante é conhecer o tipo de fluido a ser monitorado para que identificar os valores corretos de densidade e coeficiente de descarga.

EXEMPLO: A figura abaixo mostra o monitoramento feito com o auxílio de dois manômetros, sendo que um é responsável em medir a pressão na montante e o outro na jusante. Com base nos dados referenciados abaixo vamos determinar a vazão do sistema.

(Parte 2 de 4)

Comentários