artigo pressao cesar cassiolato ci 2008

MEDIO DE PRESSO: TUDO O QU VOC PRECISA CONHECER.

Engo Csar Cassiolato

[email protected] Smar Equipamentos Industriais

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A presso a varivel mais usada na indstria de controle de processos no seus mais diversos segmentos e atravs da mesma, facilmente possvel inferir outras variveis de processo, tais como nvel, volume, vazo e densidade. Comentaremos ainda neste artigo a medio de presso e sua histria, as principais caractersticas das tecnologias utilizadas em sensores de presso, assim como alguns detalhes em termos de instalaes, do mercado e tendncias com os transmissores de presso.

A medio de presso e um pouco de histria

A medio de presso ponto de interesse da cincia h muitos anos.No final do sculo XVI, o italiano Galileo Galilei (1564-1642) recebeu patente por um sistema de bomba dgua usada na irrigao.

O corao de sua bomba era um sistema de suco que ele descobriu ter a capacidade de elevar a gua no mximo 10 metros. A causa desse limite no foi descoberta por ele, o que motivou outros cientistas a estudarem esse fenmeno.

Em 1643, o fsico italiano Evangelista Torricelli (1608-1647) desenvolveu o barmetro. Com esse aparelho, avaliava a presso atmosfrica, ou seja, o peso do ar sobre a superfcie da terra. Ele fez uma experincia preenchendo um tudo de 1 metro com mercrio, selado de um dos lados e mergulhado em uma cuba com mercrio do outro. A coluna de mercrio invariavelmente descia no tubo at cerca de 760 mm. Sem saber exatamente o porqu deste fenmeno, ele o atribuiu uma fora vinda da superfcie

terrestre. Torricelli concluiu tambm que o espao deixado pelo mercrio no comeo do tudo no continha nada e o chamou de vacuum (vcuo).

Figura 1 - Barmetro

Cinco anos mais tarde, o francs Blaise Pascal usou o barmetro para mostrar que no alto das montanhas a presso do ar era menor.

Galileo

Torricelli

Pascal

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Em 1650, o fsico alemo Otto Von Guericke desenvolveu a primeira bomba de ar eficiente.

Robert Boyle realizou experimentos sobre compresso e descompresso com a bomba de Otto Von Guericke.

Depois de 200 anos, o fsico e qumico francs, Joseph Louis Gay-Lussac, verificou que a presso de um gs confinado a um volume constante proporcional sua temperatura.

Em 1849, Eugene Bourdon recebeu patente pelo Tubo de Bourdon, utilizado at hoje em medies gages. Em 1893, E.H. Amagat(1841-1915) utilizou o pisto de peso morto gage em medies de presso. A lei de Amagat ou a Lei de Volumes Parciais usada para descrever o comportamento e propriedades de misturas de gases no ideais.

Figura 2 - Tubo de Bourdon

A exatido da caracterizao de presso s teve seu real valor a partir do momento em que conseguimos traduzi-la em valores mensurveis.

Um transdutor de presso um dispositivo que converte uma presso medida(sentida) em um sinal mecnico ou eltrico. O Sensor usualmente um elemento primrio que constitudo por um elemento elstico que se deforma ou deflete sob presso.Podemos citar, como elementos elsticos: o tubo de Bourdon, o fole e o diafragma. Um elemento transdutor secundrio(comumente chamado de transdutor eltrico) vai converter esta deformao em um sinal mensurvel. Os transdutores de presso esto sujeitos a erros como: de resoluo, de deslocamento de zero, de linearidade, de sensibilidade, de histerese, de temperatura. Os transdutores eltricos esto sujeitos a erro de carregamento entre a sada do transdutor e seu dispositivo indicador(linearidade).

Nas ltimas dcadas, com o advento da tecnologia digital, uma enorme variedade de equipamentos se espalhou pelo mercado em diversas aplicaes

Resumidamente, todo sistema de medio de presso constitudo pelo elemento primrio, o qual estar em contato direto ou indireto ao processo onde se tem as mudanas de presso e pelo elemento secundrio(Transmissor de Presso) que ter a tarefa de traduzir esta mudana em valores mensurveis para uso em indicao, monitorao e controle.

Von Guericke

Boyle

Gay-Lussac

Eugene Bourdon

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As unidades de presso so definidas por meio de padres das dimenses fundamentais de massa, comprimento e tempo.Na prtica, os transdutores de presso so calibrados por comparao com certos equipamentos usados como referncia.

Conceitos da medio de presso Vejamos o conceito de Presso Esttica. Tomemos como base a figura 3, onde temos um recipiente com um lquido onde este exerce uma presso em um determinado ponto proporcional ao peso do lquido e distncia do ponto superfcie (o princpio de Arquimedes: um corpo submerso em um lquido fica sujeito a uma fora, conhecida por empuxo, igual ao peso do lquido deslocado. Por exemplo, baseado neste princpio, pode determinar o nvel, onde usa-se um flutuador que sofre o empuxo do nvel de um lquido, transmitindo para um indicador este movimento, por meio de um tubo de torque. O medidor deve ter um dispositivo de ajuste para densidade do lquido cujo nvel estamos medindo, pois o empuxo varia com a densidade). A presso esttica P definida como sendo a razo entre fora F, aplicada perpendicularmente a uma superfcie de rea A: P = F/A [N/ m2] Enfim, a presso representa uma fora de contato por unidade de rea.Ela age para dentro e normal superfcie de qualquer fronteira fsica em contato com um fludo.

Figura 3 - Presso em um ponto P submerso

Figura 4 - Presso em corpo submerso Dado um paraleleppedo, conforme a figura 4, onde temos a rea de um lado A e comprimento L, a presso em sua face superior e em sua face inferior so dadas respectivamente por PD = hg e PU = (h + L) g. A presso resultante sobre o mesmo igual a PU - PD = Lg. A presso que exerce uma fora perpendicular superfcie do fludo a chamada presso esttica. O princpio de Pascal diz que qualquer aumento de presso no lquido ser transmitido igualmente a todos os pontos do lquido. Esse princpio usado nos sistemas hidrulicos (por ex, nos freio dos carros) e pode ser ilustrado pela figura 5. Em outras palavras: As foras aplicadas tm intensidades proporcionais s reas respectivas.

Vale ainda citar a Lei de Stevin (1548 - 1620): Em um fluido homogneo e incompressvel em equilbrio sob a ao da gravidade, a presso cresce linearmente com a profundidade; a diferena de presso entre dois pontos igual ao produto do peso especfico do fluido pela diferena de nvel entre os pontos considerados.

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Figura 5 A presso perpendicular superfcie e as foras aplicadas tm intensidades proporcionais s reas respectivas. Vejamos agora, a presso exercida pelos fludos em movimento na seo transversal de um tubo. Tomemos a figura 6, onde:

F1 = fora aplicada superfcie A1 P1 = razo entre F1 e A1; L1 = distncia que o fluido deslocou; v1 = velocidade de deslocamento; h1 = altura relativa referncia gravitacional e F2 = fora aplicada superfcie A2 P2 = razo entre F2 e A2; L2 = distncia que o fluido deslocou; V2 = velocidade de deslocamento; h2 = altura relativa referncia gravitacional

Figura 6 - Equao de Bernoulli - Presso exercida pelos fludos em movimento na seo transversal de um tubo Supondo um fluido ideal, que no possui viscosidade, ele desloca-se sem atritos e portanto sem perdas de energia. O trabalho realizado pela resultante das foras que atuam em um sistema igual variao da energia cintica, teorema trabalho-energia.Com isto, temos:

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P1+ (1/2) v12 + g h1 = P2 + (1/2) v22 + g h2 Esta a equao de Bernoulli que comprova que o somatrio das presses ao longo de um tubo sempre constante para um sistema ideal. O interessante aqui que nesta equao pode-se reconhecer as seguintes presses: P1 = Presso Aplicada (1/2) .v12 = Presso Dinmica .g. h1 = Presso Esttica

Rearranjando essa relao chegamos equao: ( )

212 PPVO=

Essa relao muito til para o clculo da velocidade do fludo, dadas a presso de impacto e a presso esttica. A partir dessa relao, pode-se calcular, por exemplo, a vazo do fludo:

( )

2121Re

..2... PPgEBCAQ al=

Onde C = vazo_real/ vazo_terica Os valores de C so resultados experimentais e para cada tipo de elemento deprimognio e sistema de tomada de impulso, C varia em funo do dimetro (D) da tubulao, do N de Reynolds (Rd)

e da relao dos dimetros referentes a seo A1 e A2 (1

2

AA= )

C = f(D,Rd,)

Unidades de presso no Sistema Internacional (SI) O Pascal [Pa] a unidade de presso do Sistema Internacional de unidades(SI). Um Pa a presso gerada pela fora de 1 Newton agindo sobre uma superfcie de 1 metro quadrado Pa = N/m2. A tabela 1 mostra as principais unidades e a converso entre as mesmas:

inH2O @20oC atm bar kPa kgf/cm2 mmH2O @20oC

mmHg @0oC

inHg @32oF psi

inH2O @20oC 1 0,0025 0,00249 0,24864 0,00254 25,4000 1,86497 0,07342 0,03606

atm 407,513 1 1,01325 101,325 1,03323 10350,8 759,999 29,9213 14,6959

bar 402,185 0,98692 1 100,000 1,01972 10215,5 750,062 29,5300 14,5038

kPa 4,02185 0,00987 0,01000 1 0,01020 102,155 7,50062 0,29530 0,14504

kgf/cm2 394,407 0,96784 0,98066 98,0662 1 10017,9 735,558 28,9590 14,2233

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mmH2O @20oC 0,03937 0,00010 0,00010 0,00979 0,00010 1 0,07342 0,00289 0,00142

mmHg @0oC 0,53620 0,00132 0,00133 0,13332 0,00136 13,6195 1 0,03937 0,01934

inHg @ 32oF 13,6195 0,03342 0,03386 3,38638 0,03453 345,935 25,4000 1 0,49115

psi 27,7296 0,06805 0,06895 6,89475 0,07031 704,333 51,7149 2,03602 1

Tabela 1 - Converso em unidades de presso mais usadas em automao industrial

Tipos mais usuais de medio de presso Em funo da referncia pode-se classificar a medio de presso como: manomtrica, absoluta e diferencial ou relativa.Tomemos como referncia a figura 7: Figura 7 Referncias de Presso e tipos mais usuais

Presso absoluta: medida com relao ao vcuo perfeito, ou seja, a diferena da presso em um determinado ponto de medio pela presso do vcuo (zero absoluto). Normalmente quando se indica esta grandeza usa-se a notao ABS. Ex.: A presso absoluta que a atmosfera exerce ao nvel do mar de 760mmHg.

Presso diferencial: a diferena de presso medida entre dois pontos. Quando qualquer

ponto diferente do vcuo ou atmosfera tomado como referncia diz-se medir presso diferencial.Por exemplo, a presso diferencial encontrada numa placa de orifcio.

Presso manomtrica (Gauge): medida em relao presso do ambiente ou seja em

relao a atmosfera. Ou seja, a diferena entre a presso absoluta medida em um ponto qualquer e a presso atmosfrica. sempre importante registrar na notao que a medio relativa. Ex.: 10Kgf/cm2 Presso Relativa.

Note que a presso manomtrica dada pela diferena entre a absoluta e a atmosfrica.

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Os Sensores mais utilizados na medio presso

Oss sensores so classificados conforme a tcnica usada na converso mecnica da presso(deslocamento de um diafragma, por exemplo) em um sinal eletrnico proporcional. O mtodo mais comum para a converso do deslocamento do diafragma em um sinal mensurvel capturar a deformao elstica induzida sobre a superfcie do diafragma medida que ele deslocado.

Todas as tecnologias tem um s propsito que transformar a presso aplicada em um sensor, em um sinal eletrnico proporcional a mesma:

Capacitncia Varivel (Capacitivos) Piezo-resistivo(Strain Gage) Potenciomtrico Piezo-eltrico Relutncia Varivel Ressonante tico Outros

Vejamos alguns destes sensores e princpios brevemente. 1) Piezo-resistivo ou Strain Gage A piezo-resistividade refere-se mudana da resistncia eltrica com a deformao/contrao

como resultado da presso aplicada. Na sua grande maioria so formados por elementos cristalinos (strain gage) interligados em ponte(Wheatstone) com outros resistores que provm o ajuste de zero, sensibilidade e compensao de temperatura.

O material de construo varia de fabricante para fabricante e hoje em dia comum sensores de estado slido.Desvantagens: faixa limitante de temperatura de operao, aplicvel em ranges baixos de presso por gerarem um sinal muito baixo de excitao, muito instvel.

Atualmente existe o chamado Film transducer o qual construdo com a deposio de vapor ou injeo de elementos strain gage diretamente em um diafragma, o que minimiza a instabilidade devida ao uso de adesivos nas ligas nos modelos Bonded Wire. A grande vantagem que j produz um sinal eletrnico num nvel maior, porm em altas temperaturas so totalmente vulnerveis, j que a temperatura afeta o material adesivo utilizado ao colar o silcio ao diafragma.

Vrias tcnicas baseadas na fabricao de sensores de silcio piezo-resistivo(silicon substrate) esto emergindo, mas so susceptveis a degradao de seus sinais em funo da temperatura e exigem circuitos complicados para a compensao, minimizao do erro e sensibilidade do zero.Totalmente inviveis em aplicaes sujeitas a temperatura altas por longo perodos, uma vez que a difuso degrada os substratos em altas temperaturas.

Figura 8 Sensor Piezo-Resisitivo

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2) Piezo-eltrico O material piezo-eltrico um cristal que produz uma tenso diferencial proporcional a presso a

ele aplicada em suas faces: quartzo, sal de Rochelle, titnio de brio, turmalina etc.Este material acumula cargas eltricas em certas reas de sua estrutura cristalina, quando sofrem uma deformao fsica, por ao de uma presso. A piezo-eletricidade foi descoberta por Pierre e Jacques Curie em 1880.

Tem a desvantagem de requerer um circuito de alta impedncia e um amplificador de alto ganho, sendo susceptvel a rudos.Alm disso, devido natureza dinmica, no permite a medio de presso em estado slido.Porm, tem a vantagem de rpida resposta. A relao entre a carga eltrica e a presso aplicada ao cristal praticamente linear: q = Sq x Ap p - presso aplicada, A - rea do eletrodo, Sq - sensibilidade, q - carga eltrica, C - capacidade do cristal, Vo - tenso de sada

Figura 9 Sensor Piezo-Eltrico 3) Ressoantes Possuem em geral o princpio da tecnologia que conhecida como vibrating wire. Uma mola

de fio magntico atachada ao diafragma que ao ser submetido a um campo magntico e ser percorrido por uma corrente eltrica entra em oscilao.A freqncia de oscilao proporcional ao quadrado da tenso (expanso/compresso) do fio. No sensor Silcio Ressonante, no se usa fio e sim o silcio para ressonar com diferentes freqncias que so funes da expanso/compresso( uma funo do tipo 1/f2).

O sensor formado por uma cpsula de silcio colocada em um diafragma que vibra ao se aplicar um diferencial de presso, e a freqncia de vibrao depende da presso aplicada.

Figura 10 Sensor Ressonante

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4) Capacitivos Estes so os sensores mais confiveis e que j foram usados em milhes de aplicaes.So

baseados em transdutores onde a presso aplicada a diafragmas sensores faz com que se tenha uma variao da capacitncia entre os mesmos e um diafragma central, por exemplo. Esta variao de capacitncia tipicamente usada para variar a freqncia de um oscilador ou usada como elemento em uma ponte de capacitores. Nos sensores Smar, a nica empresa brasileira e uma das poucas no mundo a fabricar este tipo de sensores, esta variao de capacitncia usada para variar a freqncia de um oscilador. Esta freqncia medida diretamente pela CPU e convertida em Presso. No existe converso A/D o que contribui na exatido e eliminao de drifts embutidos nas converses analgicas/digitais . Vale a pena lembrar que este princpio de leitura totalmente digital utilizado pela Smar desde meados da dcada de 80. Os sensores capacitivos so os sensores mais confiveis, com respostas lineares e praticamente insensveis a variaes de temperatura, sendo os mais indicados em instrumentao e controle de processos, j que possuem excelentes performance em estabilidade, em temperatura e presso esttica. Algumas de suas vantagens:

Ideais para aplicaes de baixa e alta presso. Minimizam o Erro Total Provvel e conseqentemente a variabilidade do processo. Ideais

para aplicaes de vazo.Os erros so menores. Por sua resposta linear, permite alta rangeabilidade com exatido. O sensor de presso utilizado pelos transmissores de presso Smar, do tipo capacitivo (clula

capacitiva), mostrado na Figura 11a. A figura 11c mostra vrias possibilidades de aplicao deste sensor.

Figura 11a - Exemplo de construo de um sensor capacitivo Figura 11b - LD200 Primeiro Transmissor de Presso com tecnologia brasileira desenvolvido e comercializado em 1983 pela Smar

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Onde de acordo com a figura 11c:

P1(PH)e P2(PL) so presses aplicadas nas cmaras H e L. CH = capacitncia medida entre a placa fixa do lado de P1 e o diafragma sensor. CL = capacitncia medida entre a placa fixa do lado de P2 e o diafragma sensor. d = distncia entre as placas fixas de CH e CL.

d = deflexo sofrida pelo diafragma sensor devido aplicao da presso diferencial DP = P1 - P2.

Sabe-se que a capacitncia de um capacitor de placas planas e paralelas pode ser expressa em funo da rea (A) das placas e da distncia (d) que as separa como:

Onde, = constante dieltrica do meio existente entre as placas do capacitor. Se considerar CH e CL como capacitncias de placas planas de mesma rea e paralelas, quando P1 > P2 tem-se:

Por outro lado, se a presso diferencial (P) aplicada clula capacitiva, no defletir o diafragma sensor alm de d/4, podemos admitir P proporcional a d, ou seja:

P d

Se desenvolvermos a expresso (CL-CH) / (CL+CH), obteremos:

como a distncia (d) entre as placas fixas de CH e CL constante, percebe-se que a expresso (CL-CH) / (CL+CH) proporcional a d e, portanto, presso diferencial que se deseja medir.

Assim, conclui-se que a clula capacitiva um sensor de presso constitudo por dois capacitores de capacitncias variveis, conforme a presso diferencial aplicada.

Estes capacitores fazem parte de um circuito oscilador que tem sua freqncia dependente da presso diferencial aplicada. Esta freqncia medida pela CPU do transmissor de presso em alta resoluo, alta exatido e velocidade de processamento.

dAC =

ddACLe

ddACH

=+=

)2/(.

)2/(.

dd

CHCLCHCLP =+

= 2

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Figura 11c - Aplicaes do sensor industrial capacitivo

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5) ticos So ainda pouco difundidos mas vejamos abaixo alguns marcos da evoluo da fibra tica: Foi inventada em 1952 pelo fsico indiano Narinder Singh Kanpany. 1970: Corning Glass produziu alguns metros de fibra tica com perdas de 20 db/km. 1973: Um link telefnico de fibras ticas foi instalado no EUA. 1976: Bell Laboratories instalou um link telefnico em Atlanta de 1 km e provou ser

praticamente possvel a fibra tica para telefonia. 1978: Comea em vrios pontos do mundo a fabricao de fibras ticas com perdas

menores do que 1,5 dB/km. 1988: Primeiro cabo submarino de fibras ticas mergulhou no oceano e deu incio

super-estrada da informao. 2004: A fibra tica movimenta cerca de 40 bilhes de dlares anuais.

A sensitividade dos sensores a fibra, ou seja, o distrbio menos intenso que pode ser medido, pode depender de:

Variaes infinitesimais em algum parmetro de caracterizao da fibra usada, quando a fibra o prprio elemento sensor;

Mudanas nas propriedades da luz usada, quando a Fibra o canal atravs do qual a luz vai e volta do local sob teste.

Os sensores a Fibras ticas so compactos e apresentam sensitividades comparveis ao similares convencionais.Existem muitos sensores comerciais feitos com Fibras ticas, para medio de temperatura, presso, rotao, sinais acsticos, corrente, fluxo, etc. Os Sensores de presso so construdos com o emprego de uma membrana mvel numa das extremidade da fibra. Podemos citar as seguintes vantagens destes sensores: alta sensibilidade, tamanho reduzido, flexibilidade e resistncia, baixo peso, longa vida til, longa distncia de transmisso, baixa reatividade qumica do material, ideal para operar em ambientes com risco de exploso e intrisecamente seguros, isolamento eltrico, ideal para operar em ambientes com alta tenso, imunidade eletromagntica, multiplexao de sinais (uma nica fibra pode possuir dezenas de sensores: pode medir vibrao, presso, temperatura, fluxo multifsico, deformao, etc). Uma tcnica utilizada em construo de sensors ticos o Interfermetro Fabry-Perot: este dispositivo usado geralmente para medidas de comprimentos de onda com alta preciso, onde essencialmente dois espelhos parcialmente refletores (de vidro ou quartzo) so alinhados e se obtm o contraste de franjas mximo e a distncia entre os mesmos pela variao mecanica. Esta variao da distncia poderia ser gerada por presso e com isto tera-se um sensor de presso.

Figura 12 Sensor de Presso com Princpio de Fabry-Perot

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Equipamentos industriais para medio de presso Na indstria, dentre os diversos equipamentos usados para medir presso podemos destacar dois deles: o manmetro e o transmissor de presso. O manmetro usado para leituras locais da presso, possuindo normalmente uma conexo com o processo e um display(quando eletrnico) ou ponteiro (quando mecnico) para que se possa ler a presso localmente. Normalmente so dispositivos de baixo custo e so usados quando a presso no precisa ser transmitida para um sistema de controle e no se precisa exatido. Por exemplo, presses estticas, presses de bomba, etc. Existem tambm modelos diferenciais, vacumetrros, sanitrios, etc.

Figura 13 - Exemplos de manmetro

Um transmissor de presso inteligente combina a tecnologia do sensor mais sua eletrnica.

Tipicamente, deve prover as seguintes caractersticas:

Sinal digital de sada ; Interface de comunicao digital(HART/4-20mA, Foundation Fieldbus, Profibus-PA) ; Compensao de presso ; Compensao de temperatura ; Estabilidade; Deve permitir fcil e amigvel calibrao ; Re-range com e sem referncia ; Recursividade; Auto Diagnsticos ; Fcil instalao e calibrao; Alta confiabilidade; Baixos custos de instalao e manuteno; Curtos tempos de instalao e manuteno; Reduo na intruso/penetrao(processo); Economizar espaos na instalao; Permitir upgrades para a tecnologia Foundation Fieldbus e Profibus PA. Recursos de interface EDDL e FDT/DTMs. Protetor de transiente, Sem polaridade de alimentao, Trava fsica para transferncia de custdia, Etc.

Alguns pontos que os usurios devem estar atentos para que no paguem a mais por algo que no vo usar ou que sua aplicao no exija:

Exatido & Rangeabilidade: se necessrio equipamentos com tais requisitos, analise as frmulas de exatido e veja que s vezes a exatido no a anunciada em toda a faixa. Veja outras caractersticas tambm como tempo de resposta, Totalizao, bloco PID, etcelas podem ser mais teis nas aplicaes.

Proteo ao investimento: analise o preo de sobressalentes, intercambialidade entre modelos, simplicidade de especificao, atualizao para outras tecnologias(Fieldbus Foundation, Profibus PA), prestao de servios, suporte tcnico, prazo de reposio, etc. So fatores que podem fazer com que a disponibilidade da planta possa ficar comprometida.

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Figura 14 LD400- Transmissor de Presso HART/4-20mA com sensor capacitivo, placa eletrnica nica.

Os transmissores de presso microprocessados possuem a grande vantagem de permitirem uma

melhor interao com o usurio, com interfaces amigveis.Alm disso, possuem caractersticas de auto-diagnose que facilitam a identificao de problemas.Com o advento das redes fieldbuses, pode-se agora extrair ao mximo os benefcios da tecnologia digital.Estes transmissores possuem melhor exatido, uma estabilidade eletrnica superior aos modelos analgicos, alm de facilitarem ajustes e calibraes.A tecnologia digital tambm permite que poderosos algortimos possam ser implementados a favor da melhoria de performance e exatido da medio e a monitorao online da vida do equipamento.

Exemplo de aplicaes tpicas com transmissor de presso

A seguir vem exemplos tpicos de aplicao com transmissor de presso. Para mais detalhes sobre cada aplicao consulte a literatura disponvel em www.smar.com.br. Vale a pena lembrar que a correta instalao garante o melhor aproveitamento dos equipamentos em termos de performance. Medio de nvel de lquidos

Figura 15 - Medio de nvel em tanque aberto

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Figura 16 - Medio de nvel em tanque fechado

Medio de vazo

Figura 17 - Medio de vazo usando tubo de Pitot

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Figura 18 - Medio de vazo usando placa de orifcio

Medio de densidade

Figura 19 - Medio de densidade

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Medio de volume e massa

Figura 20 - Medio de volume

Figura 21 - Medio de massa

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Aplicaes com Protocolos HART - LD301

FOUNDATIONTM Fieldbus - LD302 PROFIBUS - LD303

Figura 22 Algumas Aplicaes com protocolos

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Dicas de instalao Vejamos na figura 23 algumas dicas de instalao quando para se trabalhar com lquidos (a e b), gases (c e d) e vapores (e). Lembre-se que uma boa instalao de acordo com a aplicao fundamental para se otimizar os benefcios de performance em qualquer equipamento de campo.

a. Instalao mais usual para lquidos

b. Instalao menos usual para lquidos

c. Instalao tpica para gases

d. Instalao tpica para gases com condensado

e. Instalao tpica para vapores

Figura 23 - Dicas de instalao para vrias aplicaes com transmissores

Acessrios na medio de presso Pela ampla gama de aplicaes possveis, h a necessidade de dispor de alguns acessrios no uso dos transmissores de presso. Os mais comuns so os manifolds e os selos remotos, como podemos ver na figura 24 a seguir. Os selos remotos tm a funo de transmitir a presso de um ponto distante do sensor ou mesmo garantir condies adequadas medio no que se refere temperatura de processo. Os manifolds so pequenas vlvulas usadas para facilitar nas operaes de manuseio dos equipamentos, calibrao e manuteno em geral.

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Figura 24 - Acessrios para vrias aplicaes com transmissores

O mercado mundial de transmissores de presso

Hoje nos processos e controles industriais, somos testemunhas dos avanos tecnolgicos com o advento dos microprocessadores e componentes eletrnicos, da tecnologia Fieldbus, o uso da Internet, etc., tudo facilitando as operaes, garantindo otimizao e performance dos processos e segurana operacional.Este avano permite hoje que transmissores de presso, assim como os de outras variveis, possam ser projetados para garantir alto desempenho em medies que at ento utilizam somente a tecnologia analgica.Os transmissores usados at ento(analgicos) eram projetados com componentes discretos, susceptveis a drifits devido temperatura, condies ambientais e de processo, com ajustes constantes atravs de potencimetros e chaves. Com o advento da tecnologia digital, a simplicidade de uso tambm foi algo que se ganhou.

Os transmissores de presso so amplamente utilizados nos processos e aplicaes com inmeras funcionalidades e recursos.Como podemos ver na figura 25, a grande maioria dos processos industrias envolvem medies de presso, lembrando ainda, que presso uma grandeza bsica para a medio e controle de vazo, nvel e densidade, etc. Segundo a ARC Advisory Group, o mercado mundial de transmissores de presso em 2006 foi de U$1.8 bilhes e tem como previs ultrapassar U$2.3 bilhes at 2011. Este crescimento se dar principalmente devido ao crescimento asitico e pela natrueza da atualizao de equipamentos antigos e ultrapassados no mercado de forma geral.

Ainda vale citar os transmissores para aplicaes SIS, Sistema Instrumentado de Segurana, assim como os transmissores wireless que comeam a ser utitlizados em algumas aplicaes.

A Smar est finalizando o desenvolvimento do seu transmissor de presso SIS e ainda seu transmissor de presso Wireless e em breve os disponibilizar ao mercado.

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Figura 25 - Previso de uso de transmissores de presso na indstria

Como especificar Transmissores de Presso Especificaes incompletas ou mesmo com dados inconsistentes so bastante comuns na documentao para compra de transmissores de presso. A primeira vista parecem tens simples de projeto, porm so muitos os detalhes que, se no corretamente especificados, podero gerar um prejuzo na hora da montagem ou mesmo durante a operao, podendo este ser maior que os valores dos equipamentos envolvidos.

Este tpico procura esclarecer algumas questes fundamentais no processo de especificao de transmissores de presso. Vale lembrar que importante ter os seguintes conhecimentos:

princpios fsicos da medio de presso; tipos de presso que podem ser medidas; sensores e seu funcionamento; instrumentao industrial; instalao e cuidados na operao e manuteno; principais aplicaes.

O que se pretende medir?

- Presso manomtrica; - Presso absoluta; - Presso diferencial; - Outras grandezas inferidas a partir de medies de presso ( vazo, nvel, volume, fora, densidade, etc).

Vale ressaltar que as medies de presses abaixo da atmosfrica no necessariamente requerem transmissores de presso absoluta. Os transmissores de presso absoluta so recomendados apenas quando se quer evitar as influncias das variaes da presso atmosfrica. Essa influncia s ser crtica quando se mede presses muito prximas (acima ou abaixo) da presso atmosfrica. Nos demais casos pode-se usar sem problemas transmissores de presso manomtrica.

Para que medir presso ? Em geral mede-se presso para

- Controle ou monitorao de processos; - Proteo (segurana); - Controle de qualidade; - Transaes comerciais de fluidos(transferncias de custdia, medio fiscal);

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- Estudos e pesquisas; - Balanos de massa e energia.

Esses objetivos devem ser considerados na escolha dos equipamentos. Quesitos mais rigorosos de desempenho tais como: exatido, limites de sobre presso e presso esttica, estabilidade e outros podem encarecer desnecessariamente o projeto. Todos os fabricantes em geral oferecem ao mercado mais de uma verso de transmissores com caractersticas tcnicas distintas e obviamente com preos tambm distintos.

Qual o fludo do processo? O fornecedor dever ser informado das caractersticas do fludo. Em geral o fabricante poder recomendar materiais ou conexes especiais . Vale lembrar que a deciso final ser sempre do usurio ou da empresa de engenharia envolvida. Alguns dados do fludo de processo so fundamentais na escolha do transmissor: - Estado (lquido, gs, vapor) Define a posio da vlvula de dreno/vent; - Presso mxima do processo Importante para a avaliao dos limites de sobre presso e

presso esttica do transmissor; - Temperatura mxima do processo Poder ser determinante para o uso de selos remotos ou

apenas manter uma distncia mnima na linha de impulso (tubing). Opcionais ?

Alguns opcionais podem ser includos no fornecimento dos transmissores: - Indicador local Esse item no tem um custo muito alto e muito til, pois no s permite a

leitura da varivel em unidades de engenharia (kgf/cm2, bar, mmH2O, Pa, psi, etc) como tambm facilita a configurao do transmissor quando no se dispe de um configurador.

- Manifold A compra casada (transmissor + manifold) traz vantagens comerciais e evita qualquer incompatibilidade tcnica na montagem.

- Suporte para tubo de 2 Esse item quase obrigatrio. Alguns suportes permitem tambm a montagem em superfcies planas. Recomenda-se especificar o suporte com pelo menos os parafusos e porcas em ao inox , garantindo-se uma melhor resistncia atmosferas corrosivas.

- Prensa-cabos Esse item pode ser encomendado junto com o transmissor. Recomenda-se porm, inclu-lo na compra do material de montagem, garantindo a compatibilidade com a bitola do cabo a ser utilizado.

Protocolo de comunicao?

Os protocolos de comunicao mais comuns so: - 4-20 mA + HART - Foundation Fieldbus - Profibus PA Alguns fabricantes oferecem ao mercado, transmissores que com a simples substituio da placa de circuito eletrnico ou apenas do firmware, o transmissor muda sua verso de protocolo. Podendo ser usado em sistemas distintos. Os fabricantes tambm fornecem junto com os transmissores, CDs com todos os arquivos ( DDs e DTMs) de seus transmissores, garantindo a comunicao e interoperabilidade com os diversos sistemas de controle do mercado.

Ferramentas especiais? Para os transmissores com protocolo Foundation Fieldbus ou Profibus PA , no sero necessrios configuradores portteis uma vez que a prpria ferramenta de configurao das redes, geralmente instalada nos computadores de superviso ou em alguma estao de engenharia, tambm capaz de acessar e configurar os instrumentos. Para os projetos convencionais (4-20mA + HART), recomenda-se a aquisio de configurador porttil (hand held). Em alguns transmissores, a configurao poder ser feita diretamente nos instrumentos, com uso de recursos como chave magntica ou botoeiras locais.

Pr configuraes? Nos transmissores convencionais (4-20mA + HART) possvel solicitar ao fabricante, em geral sem custos adicionais, algumas pr-configuraes:

- Extrao de raiz quadrada; - Faixa calibrada; - Indicao no display em unidades de engenharia (presso); - Indicao no display em unidades especiais, por exemplo: m3/h , l/h, m3 . Nesse caso deve-se

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informar previamente a unidade e a escala.

Certificaes? comum o usurio solicitar ao fabricante, certificados de calibrao emitidos por laboratrio rastreado pela RBC . Os fabricantes sempre fornecem certificados padronizados que so gerados e emitidos durante a fase de fabricao dos instrumentos. Outros certificados de calibrao, quando emitidos por laboratrio de metrologia rastreado pela RBC, podem demandar em maior prazo de entrega e em geral resultam em custos adicionais. Outra certificao importante deve ser observada quando se usa transmissores em rea classificadas. Os projetos de instrumentao para esses casos adotam normas atendendo: prova de exploso, segurana aumentada ou segurana intrnseca. Os certificados so distintos e responsabilidade do usurio sua correta utilizao.

O mesmo vale para SIS, Sistemas Instrumentados de Segurana. Um transmissor de presso especificado para reas crticas, isto , para a funo de segurana, um equipamento projetado com probabilidades de falhas baixas e alta confiabilidade de operao. No mercado existem dois conceitos.Um que o baseado no Prove in Use e outro baseado na certificao da IEC 61508. Tem-se visto na prtica em muitas aplicaes a especificao de equipamentos com certificao SIL para serem utilizados em sistemas de controle, e sem funo de segurana. Acredita-se tambm que exista no mercado desinformao, levando a compra de equipamentos mais caros, desenvolvidos para funes de segurana, onde na prtica sero aplicados em funes de controle de processo, onde a certifio SIL no traz os benefcios esperados, dificultando inclusive a utilizao e operao dos equipamentos.

Os Sistemas Instrumentados de Segurana (SIS) so os sistemas responsveis pela segurana operacional e que garantem a parada de emergncia dentro dos limites considerados seguros, sempre que a operao ultrapassa estes limites.O objetivo principal se evitar acidentes dentro e fora das fbricas, como incndios, exploses, danos aos equipamentos, proteo da produo e da propriedade e mais do que isto, evitar riscos de vidas ou danos sade pessoal e impactos catastrficos para a comunidade.

Nenhum equipamento totalmente imune a falhas e sempre deve proporcionar mesmo em caso de falha, uma condio segura.

Os transmissores certificados de acordo com a IEC 61508 devem tratar basicamente 3 tipos de falhas: falhas de hardware randmicas, falhas sistemticas, falhas de causas comuns.

O que o usurio deve saber sobre Transmissores com certificao SIL e por que eles no so a melhor opo para controle e monitorao?

- Nenhuma mudana de configurao, simulao, multidrop ou teste de loop pode ser feita com o equipamento em operao normal (isto , exigindo segurana). Nestas condies a sada no est em condio de ser avaliada seguramente. Ou seja, um equipamento HART/4-20mA com certificao SIL2, no estar com nvel SIL caso a comunicao HART esteja habilitada e possibilitando escritas.

- Na condio segura deve estar com a proteo de escrita desabilitada; - Nenhum ajuste local pode ser realizado(Ajuste local deve ser desabilitado); - Nada totalmente seguro. O que se busca reduzir a probabilidade de ocorrncia de falhas. - Em caso de falha , esta deve ser segura, isto , ela pode ser identificada e permitir aes

corretivas.

Conexes especiais? Em aplicaes com fludos agressivos, temperatura ou viscosidade alta, slidos em suspenso, recomenda-se o uso de transmissores com selos remotos ou integrais (os transmissores com selos integrais so chamados de transmissores de nvel). Deve-se, sempre que possvel, evitar o uso de selos, pois estes degradam a exatido da medio, aumentam o tempo de resposta do transmissor e sofrem grande influncia da temperatura ambiente. A calibrao de transmissores com selos remotos requer cuidados especiais, pois no s a posio do transmissor, mas a densidade do fluido de enchimento so fatores a serem considerados. Os selos com conexes flangeadas devero ser compatveis com os flanges de processo e respeitar as classes de presso estabelecidas nas tabelas de presso e temperatura das respectivas normas.

Faixa de presso / rangeabilidade? Os fabricantes adotam uma terminologia padronizada que precisa ser conhecida:

- URL Limite superior para a faixa de calibrao; - LRL Limite inferior para a faixa de calibrao (em geral LRL = - URL);

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- URV valor superior da faixa calibrada (dever ser menor ou igual URL); - LRV valor inferior da faixa calibrada (dever ser maior ou igual LRL); - SPAN URV LRV ( dever ser maior que o SPAN mnimo do instrumento);

A relao URL / SPAN mnimo define a rangeabilidade do instrumento. Os catlogos dos fabricantes em geral mostram os valores de URL , LRL, e SPAN mnimo para as diversas faixas dos transmissores. Pode-se observar que o SPAN mnimo de uma determinada faixa ser sempre maior que o URL da faixa imediatamente inferior . Por exemplo : Faixa 4 URL : 25 kgf/cm2 ; Span mnimo : 0,21 kgf/cm2; limites de sobrepresso ou presso esttica: 160 kgf/cm2 Faixa 5 URL : 250 kgf/cm2 ; Span mnimo : 2,1 kgf/cm2; limites de sobrepresso ou presso esttica: 320 kgf/cm2 Para uma aplicao com faixa calibrada : 0 a 20 kgf/cm2, possvel usar o faixa 4 ou mesmo o faixa 5. Deve-se entretanto escolher sempre o de faixa inferior. Todas as especificaes de estabilidade, efeito da temperatura, efeito da presso esttica so determinados com valores percentuais de URL . Um exceo para essa escolha se d quando os limites de sobrepresso ou presso esttica podem ser atingidos. No exemplo acima esse limite de 160 kgf/cm2 para o faixa 4 e 320 kgf/cm2 para o faixa 5.

Recursos funcionais

Alguns transmissores possuem recursos funcionais bastante interessantes. Para os transmissores com protocolo Foundation Fieldbus , importante conhecer a biblioteca de blocos funcionais disponvel. O usurio deve se informar no apenas sobre a diversidade desses blocos, como tambm sobre a poltica de comercializao desses recursos. Alguns fabricantes fornecem o instrumento com alguns blocos bsicos e cobram adicionais para incluso de blocos avanados. Importante tambm se informar sobre a quantidade de blocos que podem ser processados em um nico transmissor. Este limitante pode ser crtico em projetos com malhas de controle mais complexas. Para os transmissores convencionais ( 4-20 mA + HART) possvel tambm o uso de funcionalidades adicionais:

- Controle PID Nessa configurao o transmissor realiza o algoritmo PID , comparando a varivel do processo com um setpoint pr ajustado e gera o sinal de sada de corrente para conexo direta ao posicionador da vlvula de controle. Esse recurso vlido para malhas simples de controle e que no necessitam de intervenes do operador (sempre em automtico com set point constante). - Totalizao de vazo O transmissor de presso diferencial quando usado em medies de vazo pode ser configurado para indicao local da vazo totalizada, alm da instantnea.

Figura 26 - Diagrama de blocos e funes de transmissor de presso 4-20mA+HART

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A performance esttica ou exatido(muitas vezes confundida com preciso, onde exatido est

associada proximidade do valor verdadeiro e preciso disperso dos valores resultantes de uma srie de medidas) de um transmissor de presso depende de quo bem calibrado o transmissor e quanto tempo ele pode manter sua calibrao.

A calibrao de um transmissor de presso envolve o ajuste de zero e span.A exatido normalmente inclui efeitos de no-lineraridade, histerese e repetibilidade.

Normalmente a exatido dada em % do span calibrado.

Alguns conceitos importantes

Usualmente a relao entre entrada e sada de um transmissor de presso predominantemente linear(Y = ax + b), onde a conhecido como ganho e o b o zero ou offset, como podemos ver na figura 27. Range: a faixa de medio, compreendendo da mnima at a mxima presso que o transmissor pode medir, por exemplo, 0 a 5080 mmH2O. O Span mximo 5080 mmH2O. Zero: a menor presso na qual o transmissor foi calibrado.

Figura 27 Curva de Calibrao de um Transmissor de Presso

URL(Upper Range Limit): a mais alta presso que o transmissor de presso foi setado para medir, respeitando-se o limite superior do sensor. LRL(Lower Range Limit): a mais baixa presso que o transmissor de presso foi setado para medir, respeitando-se o limite inferior do sensor. Span(Range Calibrado): A faixa de trabalho onde feito a calibrao conhecida como span, por exemplo, de 500 a 3000 mmH2O, onde o span de 3000-500 = 2500 mmH2O. O Span igual a URL LRL.

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Figura 28 Terminologia de Calibrao Supresso de Zero( a quantidade com que o valor inferior supera o valor zero da presso ): a supresso acontece quando o transmissor indica um nvel superior ao real.Em medies de nvel, por exemplo, onde o transmissor no est instalado no mesmo nvel que sua tomada de alta e h ento a necessidade de compensao da coluna de lquido na tomada do transmissor. Este tipo de instalao requisitado onde se tem o transmissor a um nvel inferior, que muitas vezes na prtica a maneira preferencial por facilitar acesso, visualizao e manuteno.Neste caso, uma coluna lquida se forma com a altura do lquido dentro da tomada de impulso e o transmissor indicar um nvel superior ao real.Isto deve ser considerado. o que chamamos de Supresso de Zero.

Figura 29 Medio indireta utilizando transmissor de presso diferencial em tanques abertos Supresso de Zero.

Elevao de Zero( a quantidade com que o valor zero de presso supera o valor inferior): de acordo com a Figura 30, onde se pode ter o tanque fechado e o transmissor de presso diferencial localizado abaixo de sua tomada Hi e no h selagem liquida na tomada de Low, necessria a compensao da coluna de liquido aplicada na tomada Hi, fazendo-se a Supresso de Zero. No caso onde existe a selagem liquida na tomada de presso baixa(low), necessria a compensao da coluna de liquido aplicada na tomada Hi e na tomada Low. o que chamamos de Elevao de Zero.

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Figura 30 Medio indireta utilizando transmissor de presso diferencial em tanques abertos Elevao de Zero.

Desvio de Zero(Zero Shift): este um erro constante em todas as medies.Pode ser positivo ou negativo. Pode acontecer por vrias razes, como por exemplo mudanas de temperaturas, choque mecnico, diferenas de potenciais, aterramento inadequado, etc.Vide figura 5. Figura 31 Desvio de Zero e Desvio de Span Desvio de Span(Span Shift): uma mudana na derivada da relao entrada/sada referida como desvio de span.Um erro de span pode ou no ser acompanhado por um erro de offset.Tipicamente, erros de calibrao envolvem somente erros de span e so menos comuns que erros que envolvem erros no span e no zero ao mesmo tempo.Na grande maioria dos casos os erros em transmissores so desvios de zero.Vide figura 31. Histerese: o fenmeno no qual a sada do transmissor de presso difere da mesma entrada aplicada dependendo da direo em que aplicado o sinal de entrada, isto , se ascendente ou

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descendente.Normalmente a calibrao de um transmissor de presso feita usando-se a sequncia: 0, 25, 50, 75, 100, 75, 50, 25 e 0% do span.Vide figura 32. Figura 32 Histerese

Repetibilidade: o desvio percentual mximo com o qual uma mesma medio indicada, sendo todas as condies reproduzidas extamente da mesma maneira. Turndown(TD) ou Rangeabilidade: a relao entre a mxima presso(URL) e a mnima presso medida(span mnimo calibrado). Por exemplo, um transmisssor tem o range de 0-5080 mmH2O e vai ser usado em 10:1, isto significa que transmissor ir medir de 0 a 508 mmH2O. TD = URL/Span Calibrado. Erro Total Provvel(ETP): todos os transmissores independentes de fabricantes possuem um erro que depende de vrios pontos. Este erro conhecido como Erro Total Provvel(ETP). Este erro depende de certas condies:

Variao da temperatura ambiente; Presso esttica; Variao da tenso de alimentao; Span Calibrado; URL do Transmissor; Range do Transmissor; Material de Construo; Etc.

O ETP tem a seguinte frmula:

Acc = Exatido ZeroStaticError = Erro no Zero devido a influncia da presso esttica SpanStaticError = Erro no Span devido a influncia da presso esttica TempErr = Erro devido a variao de temperatura VSErr = Erro devido a variao da tenso de alimentao StabilityErr = Erro de estabilidade

ETP2 = Acc2 + ZeroStaticErr2 + SpanStaticErr2 + TempErr2 + VSErr2 + StabilityErr2.

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Concluso

Este artigo nos mostrou um pouco da histria da medio de presso, sua importncia na automao e controle de processos, peculiaridades e caractersticas de alguns tipos de sensores, aliados aos avanos tecnolgicos nos transmissores de presso.Vimos tambm um pouco sobre o mercado e sua tendncia de crescimento e os cuidados referentes s instalaes, s especificaes e terminologias adotadas para transmissores. Sobre o autor Engo Csar Cassiolato, Engenheiro Eletricista graduado pela USP, trabalha h quase 12 anos na Smar Equipamentos Industriais, em Sertozinho, SP. Atualmente, Diretor de Marketing, Qualidade, Assistncia Tcnica e Instalaes. o atual Presidente da Associao Profibus Amrica Latina. Referncias

- Controle&Instrumentao Edio 93, Transmissores de Presso, 2004, Csar Cassiolato. - Controle&Instrumentao Edio 106, O Brasil quebrando as barreiras tecnolgicas com a inovao Transmissores de Presso, 2005, Csar Cassiolato. - Intech Edio 74 , Transmissores de Presso: sensores, tendncias, mercado e aplicaes, Csar Cassiolato, 2005 - Especificando Transmissores de Presso, Csar Cassiolato e Francisco Julio, 2006. - Controle&Instrumentao Edio 113, Alguns importantes conceitos em transmissores de Presso, 2006, Csar Cassiolato. - Intech Edio 93 , Medio de Presso-Tutorial, 2007 - Manuais de Operao e Treinamento dos transmissores de presso Smar: LD301, LD302 , LD303 e LD400 - Apresentaes Transmissores de Presso, Csar Cassiolato, 2001-2008. - www.smar.com.br

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artigo pressao cesar cassiolato ci 2008

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