fundamentos de medição de pressão - utfpr

Microsoft PowerPoint - 5 - Pressao - 110 minFonte: Simone Acosta
Medição de Pressão
INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL - http://paginapessoal.utfpr.edu.br/camaral
Medição de pressão é o mais importante padrão de medida, pois as medidas de vazão, nível etc. podem
ser feitas utilizando-se esse princípio.
Pressão é definida como uma força atuando em uma unidade de área.
P = F onde: P = Pressão A F = Força
A = Área
A unidade SI para pressão é o pascal (Pa), definida como newton por metro quadrado . O pascal é uma unidade muito pequena. Um pascal equivale à pressão exercida por uma coluna d'água de altura de 0,1 mm. Ela equivale a pressão de uma cédula de dinheiro sobre uma superfície plana. Na prática, usa-se o kilopascal (kPa) e o megapascal (MPa).
A vantagem do uso do pascal, no lugar do psi (lbf/in2), kgf/cm2 e mm de coluna liquida é que o pascal não depende da aceleração da gravidade do local e da densidade do liquido. A gravidade não está envolvida na definição de pascal.
PRESSÃO ATMOSFÉRICA • É a pressão exercida pela camada de ar sobre a superfície
terrestre, que é medida em um barômetro. Ao nível do mar esta pressão é aproximadamente de 760 mmHg.
PRESSÃO MANOMÉTRICA É a pressão medida em relação à pressão atmosférica, tomada como unidade de referência. Ela pode ser chamada de pressão relativa positiva ou pressão relativa negativa.
Importante: Ao se exprimir um valor de pressão manométrica podemos colocar após a unidade a letra “g” ou não. Exemplo: 3 psig = 3 psi
PRESSÃO RELATIVA NEGATIVA OU VÁCUO É quando um sistema tem pressão relativa menor que a pressão atmosférica.
PRESSÃO ABSOLUTA É a soma da pressão relativa e atmosférica, também se diz que é medida a partir do vácuo absoluto. Importante: Ao se exprimir um valor de pressão, determinar se a pressão é relativa ou absoluta. Exemplo : 3 kgf/cm2 ABS ou 3 kgf/cm2 A - Pressão Absoluta
4 kgf/cm2 - Pressão Relativa
(ou P. Efetiva ou Pressão) - Pressão Absoluta
(ou Zero Absoluto ou Vácuo Perfeito)
Pabs = Prel + Patm
Tipos de Pressão
Tipos de Pressão Pressão Estática ou Hidrostática
É o peso exercido por uma coluna líquida em repouso ou que esteja fluindo perpendicularmente a tomada de impulso. A pressão estática do processo é a pressão transmitida pelo fluido nas paredes da tubulação ou do vaso.
Tipos de Pressão
Pressão Dinâmica ou Cinemática Pressão exercida por fluido em movimento ou tomada de impulso no sentido do impacto do fluxo (paralelo a sua corrente). A pressão dinâmica da tubulação é a pressão devida a velocidade do fluido.
Exemplo de Medição de Pressão Estática e Dinâmica
Massa Específica= massa volume [ kg/m³; g/cm³]
[kgf/m³; gf/cm³]
Conversão: 01 libra = 0,4516 kg e 01 polegada = 2,54 cm portanto, 1 kgf/cm² = 14,223 psi.
Unidades mais utilizadas:
1 atm = 760 mmHg (0°C) = 762,4 mmHg (20°C) = 10.332 mmca =
10.351 mmca(20°C) = 10332 kgf/m² = 1,033 kgf/cm²= 14,696 psi =
101,325 kpa (N/m²) = 1,01325 bar = 407,2 "H2O.
TABELA DE CONVERSÃO
97 mmHg = 97(0,5362) = 52,0114 pol, H2O
97 mmHg = 97(1,3332) =129,3204 m Bars
PSI
KPA
2- Valor na escala absoluta: Somar 760 mmHg = 14,668 psi
a) 1,5 kgf/cm2 = 1,5 x 14,223 = 21,335 + 14,668 = 36,003 psia
b) -700 mmHg = -700 + 760 = 60 x 0,0193 = 1,158 psia
3- Valor na escala relativa: Descontar 760 mmHg = 14,668 psi
a) 0,9 kgf/cm2 ABS = 0,9 x 735,56 = 662 – 760 = -98 mmHg
2- Defina o que é pressão atmosférica?
3- Defina o que é pressão manométrica?
4- Defina o que é pressão absoluta?
5- Defina o que é pressão diferencial?
6- Exercícios de conversão de unidades de pressão: a) 20 psi = ______________ kgf/cm2
b) 200 mmH20 = ______________ mmHg c) 10 kgf/cm2 = ______________ mmH20 d) 735,5 mmHg = ______________ psi
7- Determine o valor das seguintes pressões na escala absoluta:
Somar 760 mmHg = 14,668 psi a) 1180 mmHg = ________________psia b) 1250 kPa = ________________psia c) 22 psig = ________________psia
8- Determine o valor das pressões na escala relativa em mmHg:
Descontar 760 mmHg = 14,668 psi a) 1390 mmHg (Abs) = ____________________ mmHg b) 28 psia = ____________________ mmHg c) 32 mBar (Abs) = ____________________ mmHg
P
P
P
Consiste geralmente de um tubo com seção oval, disposto na forma de arco de circunferência tendo uma extremidade 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 da engrenagem é transmitido a um ponteiro que vai indicar uma medida de pressão.
a) Tipo C b) Tipo Espiral c) Tipo Helicoidal
Medidores de Bourdon
O medidor tipo tubo de Bourdon é universalmente utilizado na faixa de 0 - 10 psi até 50.000 psi. A faixa baixa depende da capacidade do tubo acionar o ponteiro. Sua precisão depende do processo de fabricação chegando 0,1% ou 0,5% da escala. Alguns desses medidores são ainda incrementados com compensadores térmicos, normalmente uma barra bimetálica integrada ao sistema do ponteiro para minimizar o erro.
Manômetro de Pressão 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.
Video Mamograph fabrication
São manômetros com dois Bourdons 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.
Manômetro Duplo
Sistemas de Selagem
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.
Sistemas de Selagem Aplicação: a) O fluido do processo for corrosivo ao dispositivo de medição;
b) O fluido for um gás com possibilidade de condensação por
diminuição de temperatura, quando for aplicado ao dispositivo
de medição, ex: vapor d’água;
c) O fluido for um líquido com sólidos em suspensão;
d) O fluido for um líquido pastoso;
e) O fluido tender a cristalizar-se com variações de temperatura
ao ser aplicado ao dispositivo de medição, ex: óleo APF;
f) O fluido não puder permanecer parado no dispositivo de
medição, ex: medicamentos, leite etc;
g) O fluido for periculoso.
Manômetro com Selagem Líquida Utiliza um fluido líquido inerte em contato com o Bourdon e que não se mistura com o fluido do processo. Nesse caso é usado um pote de selagem.
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.
Manômetro com Selagem Líquida
MANÔMETRO PETROQUÍMICO É um manômetro equipado com membrana de selagem química.
DEPOSITO DE OLEO
VALVULA DE BLOQUEIO
BOMBA DE VACUO
SELO VOLUMÉTRICO Consiste em uma câmara selada e um capilar que está ligado diretamente ao elemento. Nessa câmara existe um diafragma que irá pressionar o líquido de selo pelo capilar ao elemento. O deslocamento será proporcional à pressão exercida pelo processo sobre o diafragma. A faixa mínima recomendada para os medidores desse tipo é de 3 kgf/cm2, sendo o comprimento do capilar de 15 metros no máximo.
SELO SANITÁRIO É o tipo de selo que é utilizado nas indústrias alimentícias. Sua conexão ao processo é feita através de um grampo para facilitar sua remoção quando é feita a higienização do processo.
Sensor Tipo Diafragma É constituído por um disco de
material elástico (metálico ou não), fixo pela borda. Uma haste fixa ao centro do disco está ligada a um mecanismo de indicação. Quando uma pressão é aplicada, a membrana se desloca e esse deslocamento é proporcional à pressão aplicada.
ESCALA
MOLA
PONTEIRO
Fole
Pressão
Mola
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.
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Quando desejamos calibrar um manômetro, na maioria das vezes, utilizamos a Máquina de Teste que funciona pelo Princípio de Pascal diz que: A pressão exercida em qualquer ponto de um líquido em forma estática, se transmite integralmente em todas as direções e produz a mesma força em áreas iguais. Devido serem os fluidos praticamente incompressíveis, a força mecânica desenvolvida em um fluido sob pressão pode ser transmitida.
Video Pascal calibration
Manômetro de Líquido Princípio de funcionamento e construção
É um instrumento de medição e indicação local de pressão baseado na equação manométrica. Sua construção é simples e de baixo custo. Basicamente é constituído por tubo de vidro com área seccional uniforme, uma escala graduada, um líquido de enchimento e suportados por uma estrutura de sustentação.
O valor de pressão medida é obtida pela leitura da altura de coluna do líquido deslocado em função da intensidade da referida pressão aplicada. Os líquidos mais utilizados nas colunas são: água (normalmente com um corante) e mercúrio.
Equação Manométrica Esta equação relaciona as pressões aplicadas
nos ramos de uma coluna de medição e altura de coluna do líquido deslocado. A equação apresenta-se como a expressão matemática resultante dessa relação.
hpp 12
Faixa de Medição
• Em função do peso específico do líquido de enchimento e também da fragilidade do tubo de vidro que limita seu tamanho, esse instrumento é utilizado somente para medição de baixas pressões.
• Em termos práticos, a altura de coluna máxima disponível no mercado é de 2 metros e assim a pressão máxima medida é de 2 mH2O caso se utilize água destilada, e 2 mHg com utilização do mercúrio.
TIPOS DE MANÔMETRO LÍQUIDO Manômetro tipo Coluna em “U”
O tubo em “U” é um dos medidores de pressão mais simples entre os medidores para baixa pressão. É constituído por um tubo de material transparente (geralmente vidro) recurvado em forma de U e fixado sobre uma escala graduada.
No tipo (a), o zero da escala está no mesmo plano horizontal que a superfície do líquido quando as pressões P1 e P2 são iguais. Neste caso, a superfície do líquido desce no lado de alta pressão e, conseqüentemente, sobe no lado de baixa pressão. A leitura se faz, somando a quantidade deslocada a partir do zero nos lados de alta e baixa pressão.
P1 – P2 = h.dr
No tipo (b), o ajuste de zero é feito em relação ao lado de alta pressão. Neste tipo há necessidade de se ajustar a escala a cada mudança de pressão.
No tipo (c) a leitura é feita a partir do ponto mínimo da superfície do líquido no lado de alta pressão, subtraída do ponto máximo do lado de baixa pressão. A leitura pode ser feita simplesmente medindo o deslocamento do lado de baixa pressão a partir do mesmo nível do lado de alta pressão, tomando como referência o zero da escala.
P1 – P2 = h.dr
Manômetro tipo Coluna Reta Vertical
Nesse manômetro as áreas dos ramos da coluna são diferentes, sendo a pressão maior aplicada normalmente no lado da maior área. Essa pressão, aplicada no ramo de área maior provoca um pequeno deslocamento do líquido na mesma, fazendo com que o deslocamento no outro ramo seja bem maior, face o volume deslocado ser o mesmo e sua área bem menor.
Como o volume deslocado é o mesmo, teremos:
1221 hhPP
Chamando as áreas do ramo reto e do ramo de maior área de “a” e “A”, respectivamente, e aplicando pressões P1 e P2 em suas extremidades teremos pela equação manométrica:
2121 h . A a h h . a h . A
Substituindo o valor de h1 na equação manométrica, teremos:
) A a (1 h . P - P 221
Como “A” é muito maior que “a”, a equação anterior pode ser simplificada e reescrita. Assim teremos a seguinte equação utilizada para cálculo da pressão:
h . P - P 221
Manômetro tipo Coluna Inclinada
Este Manômetro é utilizado para medir baixas pressões na ordem de 50 mmH2O. Sua construção é feita inclinando um tubo reto de pequeno diâmetro, de modo a medir com boa precisão pressões em função do deslocamento do líquido dentro do tubo. A vantagem adicional é a de expandir a escala de leitura o que é muitas vezes conveniente para medições de pequenas pressões com boa precisão ( 0,02 mmH2O).
Manômetro tipo Coluna Inclinada A figura representa o croqui construtivo desse
manômetro, onde: é o ângulo de inclinação
a e A são áreas dos ramos.
P1 e P2 são as pressões aplicadas, sendo P1 P2.
P1 – P2 = . h A a
+ sen
MENISCO Neste tipo de medidor, a tensão superficial dos líquidos é evidente, ou seja, neste tipo de medidor devido a força de coesão e adesão entre as moléculas do vidro do líquido, aparece o que chamamos de menisco. Em tubos de pequenos diâmetros, a superfície do líquido deverá ser uma curva. No caso de líquidos como a água e o álcool, a qual tem uma tensão superficial baixa, a superfície será côncava. No caso do mercúrio, a qual tem uma tensão superficial alta, o menisco será convexo. Para evitar o erro de paralaxe quando fizermos a leitura de pressão, esta deve ser feita na direção horizontal no ápice do menisco.
Exercícios:
1- Defina o tubo de Bourdon. 2- Cite 3 tipos de Bourdon. 3- Como é constituído o diafragma? 4- Como é constituído o fole? 5- Como funciona o fole? 6- Cite 3 tipos de coluna líquida. 7- Como deve ser feita a leitura de pressão nas colunas líquidas quando aparece o menisco ?
O transdutor de indutância variável utiliza uma bobina primária, uma secundária e um núcleo magnético que localiza-se entre as duas bobinas. Ao núcleo é conectado um sensor de pressão (por exemplo, diafragma) e quando ocorre uma variação da pressão, este núcleo se movimenta e altera o número de espiras induzidas, variando consequentemente a voltagem de saída do circuito. O tipo mais comum de transdutor de indutância variável é o LVDT (transformador diferencial linear variável).
Transdutor de Pressão Indutivo (LVDT)
Sensor Piezoelétrico Os elementos piezoelétricos são cristais (como o quartzo, a turmalina e o titanato) que acumulam cargas elétricas em certas áreas da estrutura cristalina quando sofrem uma deformação física, por ação de uma pressão. São elementos pequenos e de construção robusta. Seu sinal de resposta é linear com a variação de pressão, são capazes de fornecer sinais de altíssimas freqüências.
Fio solidário a base
Lâmina de base
R = l . S
R : Resistência do condutor : Resistividade do material L : Comprimento do condutor S : Área da seção transversal
Baseia-se no princípio de variação da resistência de um fio, mudando-se as suas dimensões.
Fio solidário a base
Lâmina de base (Flexível)
F
Uma das extremidades da lâmina é fixada em um ponto de apoio rígido enquanto a outra extremidade será o ponto de aplicação de força.
Notamos que a ligação ideal para um Strain Gauge com quatro tiras extensiométricas é o circuito em ponte de Wheatstone, que tem a vantagem adicional de compensar as variações de temperatura ambiente, pois todos os elementos estão montados em um único bloco.
Transdutor de Pressão Capacitivo Este tipo de sensor resume-se na deformação, diretamente pelo processo de uma das armaduras do capacitor. Tal deformação altera o valor da capacitância total que é medida por um circuito eletrônico.
C = K A d
A = área das placas
d 1 d
Calibração de Transmissores
Sensor de Silício Ressonante O sensor consiste de uma cápsula de silício colocada estrategicamente em um diafragma, utilizando do diferencial de pressão para vibrar em maior ou menor intensidade, afim de que essa freqüência seja proporcional a pressão aplicada.
Dois fatores que irão influenciar na ressonância do sensor de silício são: o campo magnético gerado por um imã permanente posicionado sobre o sensor; o segundo será o campo elétrico gerado por uma corrente alternada (além das pressões exercidas sobre o sensor, obviamente). Portanto, a combinação do fator campo magnético/campo elétrico é responsável pela vibração do sensor .
Por estarem localizadas em locais diferentes, porém no mesmo encapsulamento, um sensor sofrerá uma compressão e o outro sofrerá uma tração conforme a aplicação de pressão sentida pelo diafragma. Desta maneira, os sensores possuirão uma diferença de freqüência entre si, que pode ser sentida por um circuito eletrônico. Essa diferença de freqüência será proporcional ao P aplicado.
Transmissores de Pressão
Pressostato é um instrumento de medição de pressão utilizado como componente do sistema de proteção de
equipamento ou processos industriais. Sua função básica é de proteger a integridade de equipamentos contra sobrepressão ou subpressão
aplicada aos mesmos durante o seu funcionamento. É constituído em geral por um sensor, um mecanismo de
ajuste de setpoint e uma chave de duas posições (aberto ou fechado). Como elemento sensor, pode-se
utilizar qualquer um dos tipos já estudado, sendo o mais utilizado nas diversas aplicações o diafragma. Como mecanismo de ajuste de setpoint utiliza-se na maioria das aplicações uma mola com faixa de ajuste selecionada conforme pressão de trabalho e ajuste, e
em oposição à pressão aplicada. O mecanismo de mudança de estado mais utilizado é o micro interruptor,
podendo ser utilizado também ampola de vidro com mercúrio fechando ou abrindo o contato que pode ser
do tipo normal aberto ou normal fechado.
Classes de proteção => indicadas por um símbolo composto:
a) duas letras – IP (International Protection) b) dois dígitos que definem o grau de proteção
Exemplo:
2- Defina o sensor tipo strain gauge.
3- Defina o sensor tipo capacitivo.
4- Defina o sensor de silício ressonante.
5- Um transmissor de pressão possui range de 0 a 25 bar, exatidão de 0,5% do span, rangeabilidade 10:1, IP65. O que significam estas informações?
Exercícios:
1- Um transmissor de pressão com sensor capacitivo da marca Zurich apresenta os seguintes dados: faixa de medida de 0 a 10 bar; exatidão de 0,13% do F.E.. O valor medido foi de 5 bar. Qual o valor real da medida?
2- Um manômetro da marca Zurich apresenta os seguintes dados: range de 50 a 300 kgf/cm2; exatidão de 1% do span. O valor medido foi de 125 kgf/cm2. Qual o valor real da medida?
3- Um transmissor de pressão da marca Danfoss apresenta os seguintes dados:
a) Faixa de medição de pressão relativa de 0 a 25 bar; exatidão de 2% do valor medido. O valor medido neste instrumento foi de 15 bar. Qual o valor real da medida?
b) Grau de proteção IP67. O que isto significa?
Exercício: 4- Numa atividade com um transmissor de pressão com saída de 4 a 20 mA, é ajustado o range de 1 a 5 bar . Preencha a tabela abaixo com as informações solicitadas.
Exercícios:
5- Considerando um sensor de pressão analógico cujo range é de 5 a 125 mmHg e sinal de saída de 1,0 a 5,0 V. Calcular o que se pede a seguir: a) Calcular o valor de entrada do instrumento para 25%, 50% e 75%. b) Calcular o valor de saída do instrumento para 25%, 50% e 75%. c) Calcular a sensibilidade desse sensor (em V/mmHg) (calcular utilizando o span de saída dividido pelo span de entrada).
SENSIBILIDADE (SENSITIVITY) - E a razão entre a variação do valor indicado ou transmitido por um instrumento e a variação da variável que o acionou, após ter alcançado o estado de repouso.
Exercícios:
6- Um transmissor de pressão, cujo range é de -50 Pa a +200 Pa, está sendo sensibilizado com uma pressão de +75 Pa. Calcule o que se pede abaixo sabendo que o transmissor transmite sinal pneumático de 3 a 15 psi.
a) Qual o valor de pressão em Pa que está sendo transmitido pelo transmissor sabendo que o sinal de saída do mesmo durante sua sensibilização é de 9,6 psi?
b) O instrumento esta sendo sensibilizado com que percentual de pressão na entrada?
c) Qual o erro absoluto (em psi) que está sendo cometido pelo transmissor?
d) Qual o erro relativo (em %) ao span que está sendo cometido pelo transmissor?
Exercícios:
7- Um transmissor de pressão, cujo range é de 1 a 10 bar, está sendo sensibilizado com 20% de seu valor de entrada e o mesmo está apresentando uma saída correspondente a 7,4mA. Calcule o que se pede abaixo sabendo que o transmissor possui faixa de saída 4 a 20 mA. a) Qual o valor de pressão (em bar) que está sendo transmitida pelo transmissor? b) Qual o erro absoluto em bar que está sendo cometido pelo transmissor? c) Qual é o erro relativo (em %) ao span cometido pelo mesmo? d) Qual a sensibilidade do transmissor de pressão em mA/bar?
Exercícios:
8- Um transmissor de pressão, cujo range é de 0 a 29 psi, está sendo sensibilizado com 25% de seu valor de entrada e o mesmo está apresentando uma saída correspondente a 8,8mA. Sabendo que o transmissor possui faixa de saída de 4 a 20 mA, calcule o que se pede a seguir: a) Qual o valor da pressão que está sensibilizando o transmissor? b) Qual o valor da pressão (em psi) que o transmissor está transmitindo? c) Qual é o erro absoluto em psi cometido pelo mesmo? d) Qual é o erro relativo (em %) ao span cometido pelo mesmo?
P1 – P2 = h.dr
Usar as pressões em (mm) e a h em (mm)
a) P1= 500 mmHg, P2= ? kgf/cm2, dr= 1,0, h= 20 cm b) P1= ? psi, P2= 15 “H2O, dr= 13,6, h= 150 mm c) P1= 3800 mmHg, P2= 10 psi, dr= 13,6, h =? cm d) P1= -300 mmHg, P2= ? psia, dr= 1,0, h =10“

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