AULA 5 - SENSORES DE PRESSÃO, NÍVEL E FLUXO

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1 AULA 5 - SENSORES DE PRESSÃO, NÍVEL E FLUXO SENSORES DE PRESSÃO Prof. Fabricia Sensores de Pressão Conceitos de pressão; Métodos de medição de Pressão. Conceitos de Pressão Pressão pode ser conceituada como a força perpendicular e uniformemente distribuída sobre uma superfície plana de área unitária e costuma ser representada por uma série de unidades como psi (libras/ polegadas quadradas), bar atmosfera e pascal; O Sistema Internacional (S.I.) define como padrão o Pascal. Unidades de Pressão Métodos de Medição de Pressão Medição por coluna de líquido (medição direta); Medição de pressão de peso morto; Medição da pressão por deformação, por tensão resultante ou por elemento elástico (de área conhecida). 1

2 Medidores Mecânicos de Pressão Manômetros do Tipo Tubo de Vidro Manômetros de fluido do tipo tubo de vidro; Manômetros baseados na deformação mecânica de elementos; São usados na medição de pressões de fluidos em condições de repouso e/ou laboratório; O formato dos tubos caracteriza o tipo de manômetros dessa natureza e a massa específica do fluido geralmente água ou mercúrio é responsável pela sensibilidade do medidor. Manômetros do Tipo Tubo de Vidro Manômetros do Tipo Tubo de Vidro O sistema entra em equilíbrio de acordo com a pressão que atua sobre o tubo em ambas extremidades; Manômetros do tipo U Apesar de clássico esse método de medição é pouco usado na indústria porque apresenta apenas uma saída visual e uso de mercúrio é evitada por representar um risco a saúde. Manômetros do Tipo Tubo de Vidro Manômetros do Tipo Tubo de Vidro Manômetros do tipo Tanque: o braço do tubo é substituído por um tanque com diâmetro grande. Manômetros do tipo Tipo Tubo Inclinado: é usado para medir pequenas diferenças de pressão. 2

3 Manômetros do Tipo Tubo de Vidro Manômetros baseados na Deformação Mecânica dos Elementos Manômetros simples: sua estrutura é semelhante ao manômetro do tipo tanque, a diferença é que um dos lados do tubo é fechado. É princípio de funcionamento mais comum dos medidores de pressão; Consiste em confinar o fluido em um recipiente com forma adequada e detectar deformação elástica causada pela pressão exercida em uma das paredes afetadas. Manômetros baseados na Deformação Mecânica dos Elementos Diagramas e foles Manômetros baseados na Deformação Mecânica dos Elementos Diagramas e foles Seu funcionamento é baseado na deformação das membranas pela ação da diferença de pressão entre dois pontos quaisquer ou entre a pressão a ser medida e a pressão atmosférica local; O diafragma consiste em um sistema cuja a entrada é pressão e a saída é a deformação que pode ser medida através do deslocamento; Como outros sistemas naturais o diafragma também apresenta limitações de resposta em frequência. Em determinadas aplicações é importante conhecer as limitações. Existem dois tipos: liso e o superfície ondulada. Liso Ondulado Manômetros baseados na Deformação Mecânica dos Elementos Tubos O tubo de Bourdon é o mais popular e o que apresenta mais baixo custo em medições de pressões estáticas; A configuração mais comum do tubo de Bourdon tem o formato em C. Existem três tipos de configuração: C, tubo torcido e espiral. Manômetros baseados na Deformação Mecânica dos Elementos Tubos Os tubos são fabricados de diferentes materiais, dependendo da natureza do fluido cuja a pressão deve ser medida (bronze, aço inoxidável); As principais fontes de erro são histerese mecânica do tubo, mudança de sensibilidade por causa da temperatura e efeitos de atrito. 3

4 Manômetros baseados na Deformação Mecânica dos Elementos Tubos Bourdon tipo C Manômetros baseados na Deformação Mecânica dos Elementos Tubos Bourdon tipo C A extremidade superior está conectada a um sistema dentado que é conectado aos dentes de uma engrenagem que movimenta o ponteiro. A deformação produzida no tubo é amplificada mecanicamente e transformada em movimento angular de um ponteiro associado a uma escala previamente calibrada Manômetros baseados na Deformação Mecânica dos Elementos Tubos Bourdon tipo tubo torcido A aplicação de pressão causa o movimento de torção.. Manômetros baseados na Deformação Mecânica dos Elementos Tubos Bourdon tipo espiral Os sensores de pressão considerados universais atualmente são os sensores capacitivos, os sensores piezoelétricos e os sensores pizorresistivos; Sensores de Pressão Capacitivos São usados em uma faixa extensa (10-3 a 10 7 Pa); Um diafragma de metal ou silício é usado como elemento sensor e constituído por um eletrodo do capacitor de placas paralelas o outro eletrodo (estacionário) que é formado por um metal depositado sobre um substrato cerâmico ou de vidro; Quando o sistema é submetido a uma pressão a membrana movimenta-se modificando a distância entre as placas do capacitor e seu valor de capacitância. 4

5 Sensores de Pressão Capacitivos Em um capacitor diferencial, o diafragma é colocado entre dois eletrodos fixos. Quando submetido a uma pressão um dos capacitores terá sua capacitância aumentada enquanto no outro a capacitância é reduzida. Essa configuração é usada para cancelar os efeitos comuns indesejados. Sensores de Pressão Capacitivos Os sensores capacitivos são muito usados devido as grandes faixas de pressão em que atuam; Podem fornecer precisões na ordem de 0,1% da leitura ou 0,01% do fundo de escala; Os sensores capacitivos modernos utilizam técnicas de fabricação que os tornam mais resistentes a ambientes corrosivos e menos sensíveis a capacitâncias parasitas e influências externas. Sensores de Pressão Capacitivos Sensores de Pressão Piezoelétricos São constituídos com materiais que produzem uma diferença de potencial quando submetidos a um deformação mecânica; É usado para medir pressões dinâmicas tal como explosões (cilindro de carro) ou em qualquer pulso de pressão; Tem a vantagem de não necessitarem de excitação externa para o sensor mas necessitam de um circuito para condicionamento. Simples Diferencial Sensores de Pressão Piezoelétricos Sensores de Pressão Piezoelétricos As principais vantagens dos transdutores piezoelétricos está na robustez e na independência de partes eletrônicas e capacidade de medir faixas largas de pressões com resposta rápida; Possuem alta impedância de saída implicando em cuidados especiais com cabos e conexões até o amplificador da carga; Pilha de sensores piezoelétricos Esquema Existem módulos piezoelétricos que possuem junto ao elemento sensor um amplificador que tem a função de baixar impedância do sistema proporcionando melhor desempenho. 5

6 Sensores de Pressão Piezoelétricos Sensores de Pressão Piezorresistivos Variam a resistência elétrica dos elementos sensores quando submetidos a uma força e sofrem uma consequente deformação; Os extensômetros podem ser fixados em um diafragma de area determinada, medindo as deformações causadas pela aplicação de pressão; A maioria dos dispositivos de pressão piezorresistivos é constituído com a integração dos elementos sensores e um diafragma no próprio silício com a mesma tecnologia utilizada nos circuitos integrados CI. Sensores de Pressão Piezorresistivos Sensores de Pressão Piezorresistivos Desvantagens: sinais relativamente pequenos e sensibilidade a variações de temperatura; Vantagens: altos valores de sensibilidade e boa linearidade e capacidade de perceber mudanças de pressão sem apresentar histerese; Aplicações: microfones e medidores de pressão sanguínea; Medições de Baixa Pressão É um campo específico que requer cuidado especial por parte do usuário: 1. Método de MCLeoad 2. Método de Knudsen 3. Método de Pirani 4. Medição por Ionização SENSORES DE NÍVEL 6

7 A medição normalmente é realizada do fundo do recipiente em direção à superfície ou um ponto de referência do material a ser medido; ; Atualmente existem medidores que empregam técnicas como flutuadores, medição de pressão por ultrassom;. A aplicação de medidas de nível é necessária em processos como: medição de grãos em silos; reservatórios de água. Indicadores e visores de nível; Medidores de nível com boias e flutuadores; Indicação de nível magnético. Indicadores e visores de nível Normalmente esses dispositivos são simples e produzem apenas uma saída visual; A medição direta é feita pela inserção de uma régua no interior do reservatório de modo que o zero da régua coincida como fundo do reservatório; A superfície do líquido marcará o ponto de leitura na régua que poderá ser retirada na marca. Indicadores e visores de nível A principal vantagem desse dispositivo é baixo custo; Indicadores e visores de nível Medição direta de nível com a visualização de um visualizador. São muito usados em reservatórios em locais que as condições de pressão e temperatura impeçam seu uso. Os trabalhadores da construção civil usam medidores semelhantes para alinhar as paredes. 7

8 Indicadores e visores de nível Outro tipo de geometria usada são os visores de vidro plano que podem ser composto por um mais módulos de visores. Indicadores e visores de nível Vareta molhada. Muito usado no monitoramento do óleo de motores de combustão. Medidores de nível com boias e flutuadores Em sua fabricação são usados elementos com massa específica menor que o fluido a ser medido, de acordo com a posição do nível a posição do flutuador em relação ao fundo varia; O monitoramento é contínuo pois a extensão haverá uma saída associada ao nível; Medidores de nível com boias e flutuadores Chave de nível do tipo boia: O flutuador é fixado a um braço que funciona como uma alavanca; Com a variação de nível a boia que contém o ímã movimenta-se em direção ao detector magnético que converte o movimento mecânico em um acionamento elétrico; Esse processo também pode ser implementado através de chaves mecânicas. Medidores de nível com boias e flutuadores Chave de nível do tipo boia: Medidores de nível com boias e flutuadores Chave de nível do detectores magnéticos Possibilita que sejam fixados ímãs permanentes aos flutuadores que deslizam pelo eixo; Ao se deslocarem esses deslocadores se aproximam dos detectores magnéticos de posição (reed switches) que realizam o acionamento elétrico ou envia a informação para o sistema de decisão; 8

9 Medidores de nível com boias e flutuadores Chave de nível do detectores magnéticos: Medidores de nível com boias e flutuadores Chave de nível do detectores magnéticos: Medidores de nível com boias e flutuadores Chave de nível do detectores multipontos: Quando existe a necessidade de verificar o nível em vários pontos. Medidores de nível com boias e flutuadores Cápsula de mercúrio: Consiste em uma cápsula com dois contatos mecânicos parcialmente preenchida com mercúrio. Indicador de Nível Magnético A medida é realizada de forma similar aos flutuadores, mas existe uma comunicação entre o flutuador e o indicador totalmente magnético (bypass); Todo o sistema desloca-se sobre uma coluna auxiliar (vaso comunicante) ou no interior dela; Atraído pelo ímã o seguidor metálico tem a função de indicar o nível; Existe no mercado diversos tipos de medidores magnéticos para diversos tipos de fluídos. Medidor de nível do tipo deslocador; Medidor de nível do tipo Hidrostático; Medidor de nível por pesagem; Medidor de nível capacitivo; Medidor de nível por condutividade; Medidor de nível por ultrassom; Medidor de nível por vibração; Medição de nível por radar; Medidor de nível por radiação; Transmissão de nível a laser. 9

10 Medidor de nível do tipo deslocador O princípio de funcionamento é que o corpo que flutua está parcialmente inserido no líquido; Quando o nível aumenta a força do empuxo também aumenta e por consequência aumenta a força resultante; A vantagem do método é a precisão, mas o sistema requer manutenção constante; A necessidade de manutenção ocorre porque o volume do corpo flutuador afeta a força resultante provocando o acumulo de resíduos sobre ele. Medidor de nível do tipo deslocador Medidor de nível por pesagem Colocar uma célula de carga incorporada ao reservatório; Conhecendo a geometria do reservatório e o peso específico do material é possível calcular o nível; Vantagens: medida realizada sem contato; Dificuldade: a célula de carga deve ser projetada para esse fim e quando existem problemas quanto a massa (perdas ou acréscimo de resíduos) o sistema pode indicar valores errados. Medidor de nível capacitivo Pode ser usado em materiais condutores ou isolantes; Em líquidos condutores uma capa isolante deve ser usada volta da haste que serve como eletrodo; Se o líquido for isolante a haste pode estar em contato direto; Quando o líquido modifica o nível ocorre a variação da constante dielétrica provando mudança no valor da capacitância. Medidor de nível capacitivo Medidor de nível capacitivo 10

11 Medidor de nível por condutividade Medidor de nível por condutividade A medida realizada através da condutância elétrica do material (abaixo de 20V); Consiste em um método barato simples. Medidor de nível por ultrassom Utilizam frequências entre 20 e 200kHz; O princípio de funcionamento deste método é medir o tempo de eco do sinal enviado por um transdutor piezoelétrico; Deve se observar para usar o medidor: 1. a velocidade do som varia com a temperatura; 2. Resíduos podem absorver o sinal enviado; 3. Turbulência no líquido pode provocar flutuações de leitura. Medidor de nível por ultrassom Medidor de nível por ultrassom Medidor de nível por radar Método usado a mais de 50 anos de uso nas indústrias química, petrolífera, alimentícia entre outras; Os dois tipos de radares mais usados são: 1. Radar por pulso de sinal: utiliza a técnica de emissão de um pulso descontínuo. A medição é feita pelo tempo de propagação de ida de volta do pulso. Instrumentos desse tipo não conseguem boas precisões. 2. Radar por frequência modulada de sinal: transmite sinal contínuo de frequência variável. Quando alcança a superfície do material, o sinal é refletido em direção ao emissor. O receptor avalia a diferença de frequencia entre o sinal transmitido e o sinal refletido. 11

12 Medidor de nível por radar Medidor de nível por radar O princípio básico do radar é baseado na capacidade da superfície de um determinado material de refletir um sinal eletromagnético; São recomendados para aplicações que instrumentos convencionais encontram dificuldades de acesso ou devido a corrosão; São insensíveis a problemas característicos dos líquidos como mudança de massa específica ou condutividade; Pode apresentar problemas de reflexão, principalmente devido a partes internas do reservatório. Medidor de nível por radar Medidor de nível por radiação Opera com o princípio da radiometria; Quando passa por determinado meio, a radiação tipo gama é atenuada; A fonte e a distância percorrida pelo feixe são constantes, a medida é afetada apenas pela massa específica do meio; O método radiométrico para medir nível é caracterizado por não requerer manutenção; Para se detectar radiação gama, são usados cristais que enviam sinal digital para uma etapa eletrônica. Medidor de nível por radiação Medidor de nível à laser Princípio de funcionamento semelhante aos medidores de nível do tipo ultrassom; Bastante preciso e pode ser aplicado na medição de níveis de sólidos, substâncias com massa específica elevada como por exemplo: cimentos, líquidos opacos; Uma fonte de laser na parte superior do reservatório dispara um pulso que percorre a distância até a superfície do material, sendo então refletido e registrado por um detector; O sistema de detecção é composto por um temporizador que converte tempo em distância; Desvantagens: são probabilidade de falhas na presença de poeira e fumaça e custo bastante elevado. 12

13 Medidor de nível à laser SENSORES DE FLUXO Conceitos Fundamentais Conceitos Fundamentais Fluido é a quantidade de matéria, volume ou massa que escoa por unidade de tempo em uma dada instalação. Conceitos Fundamentais Conceitos Fundamentais Massa Específica: parâmetro para se caracterizar a matéria; Densidade: relação entre a massa volumétrica da matéria em estudo e a massa volumétrica da matéria de referência (geralmente a água); Viscosidade: propriedade dos fluidos cuja origem são as forças dissipativas existentes entre as molécula, com isso substâncias com elevado atrito interno são altamente viscosas. 13

14 Conceitos Fundamentais Condutividade: todo meio condutor pode ser caracterizado por sua condutividade elétrica, que depende da condutividade elétrica de cada tipo de íon que constitui o fluído; Fluido incompressível: as variações de massa específica com a pressão são insignificantes. Os líquidos são considerados incompressíveis. Compressíveis: sua massa pode variar significativamente. Os gases são considerados compressíveis. Conceitos Fundamentais Escoamento linear: as partículas se movem regulamente e permanecem paralelas em todas as partes; Escoamento turbulento: as partículas se movem de forma desordenadas e aleatórias. Medidores de Fluxo Baseados na Pressão Diferencial São amplamente usados é baseado na obstrução da passagem de um fluido; Nesses instrumentos o fluxo é calculado pela medição da queda de pressão causada pela obstrução inserida no caminho do fluxo; Os tipos mais comuns são: placa de orifício, tubo de Venturi, tubo de Pitot e medidor do tipo bocal. Diferencial Placa de orifício Uma placa de orifício inserida na tubulação é um obstáculo com uma abertura comparada ao diâmetro da tubulação; Considerado o dispositivo mais simples de medir fluxo por pressão diferencial, apresenta turbulências próximo ao orifício. Diferencial Placa de orifício A maior desvantagem da placa de orifício é a sua limitada faixa de fluxos e sensibilidade a distúrbios; Diferencial Placa de orifício Os orifícios encontrados geralmente são: concêntrico (mais tradicional) excêntrico e segmentado. A placa de orifício normalmente é utilizada em líquidos limpos e sujos; Seu desempenho é dependente da viscosidade do líquido e da qualidade das instalações. 14

15 Diferencial Tubo de Venturi Diferencial Tubo de Venturi Similar a placa de orifício mas apresenta obstáculo mais suave; Em função do formato mais suave o tubo de Venturi possui menor sensibilidade a erosão podendo ser usado com gases e líquidos sujos; Como desvantagens pode-se destacar o tamanho o custo de fabricação. Diferencial Tipo Bocal É formado por uma restrição com seção reta elíptica; A pressão diferencial entre as localizações do diâmetro anterior e posterior à resistência é medida. Diferencial Tipo Bocal É considerado um medidor de fluxo por pressão diferencial de qualidade intermediária entre a placa diferencial e o Tubo de Venturi; Pode ser usado em aplicações com altas velocidades, altas temperaturas e fluidos sujos e abrasivos; Muito usado para medir fluxo de ar e gases em aplicações industriais. Diferencial Tubo de Pitot Diferencial Tubo de Pitot Mede a diferença de pressão entre um ponto de fluxo e um ponto próximo a superfície; Construído para medir a pressão total (estagnação); Para determinar a velocidade do fluido é necessário determinar a massa específica e a pressão estática; O tubo de Pitot é muito usado para medir a velocidade do deslocamento. 15

16 Diferencial Tubo de Pitot Podem ser usados em instalações permanentes como sensores de fluxo ou em monitoramento portátil fornecendo dados periodicamente; Vibrações podem causar falhas em Tubos de Pitot; Mais simples sensor de fluxo e apresenta ampla faixa de aplicação; Medidores de Fluxo por Área Variável O rotâmetro é o mais comum desse tipo; Ele opera em quedas de pressão relativamente constante e mede o fluxo dos líquidos, gases e vapores; Consiste em um tubo de vidro ou plástico vertical com um bocal largo e um elemento flutuante que está livre para se mover dentro do tubo, cuja a altura é uma indicação do fluxo; O tubo de Pitot apresenta baixa precisão e detecta apenas a velocidade local do fluxo. Medidores de Fluxo por Área Variável Rotâmetros Medidores de Fluxo por Área Variável A posição do elemento flutuante, do pistão ou da válvula é alterada com o aumento do fluxo, fornecendo uma indicação visual; A força da gravidade ou um elemento elástico é usado para retornar o elemento flutuante à posição inicial ou de repouso quando o fluxo reduz; Medidores baseados na gravidade precisam ser instalados na vertical (rotâmetros) e os baseados em molas podem ser utilizados em qualquer posição. Medidores de Fluxo por Eletromagnetismo São não invasivos e usados para medir a velocidade média em função da secção de diversos líquidos condutivos; Medidores de Fluxo por Eletromagnetismo Sua operação depende do fato de que um condutor, movendo-se perpendicularmente ao campo magnético, induz uma tensão elétrica sobre o condutor que é proporcional à velocidade do líquido. 16

17 Medidores de Fluxo por Eletromagnetismo O comprimento do condutor é proporcional ao diâmetro do tubo e a velocidade é proporcional à velocidade média do fluxo; Os dois eletrodos detectam a tensão induzida que indica a velocidade do fluido; Devem ser usados em fluidos condutivos; Medidores de Fluxo por Eletromagnetismo Pode detectar líquidos limpos, sujos, corrosivos, erosivos ou viscosos desde que a condutividade exceda o mínimo necessário; Apresenta alto consumo de energia quando comparado aos medidores descritos anteriormente. Podem medir o fluxo em ambas as direções porém a reversão altera a polaridade e não a magnitude do sinal. Medidores de Fluxo Ultrassônicos Os transdutores usados são os piezoelétricos pois convertem energia elétrica em energia mecânica; O princípio de funcionamento do medidor de fluxo ultrasônico por tempo está relacionado à diferença no tempo para um pulso ultrassônico alcançar uma distância fixa, senso sensível a sólidos suspensos ou a bolhas de ar no fluido. Medidores de Fluxo por Força de Arrasto Objeto denominado arrasto é exposto ao fluxo de um fluido que deve ser medido; A força exercida pelo fluxo no elemento de arrasto é medida e convertida para um valor que representa a velocidade do fluxo; Apresentam boa precisão para medir líquidos e fluxo de gases Medidores de Fluxo do Tipo Vórtice Quando um corpo é imerso no fluxo de um fluido, turbulências denominadas vórtices são alternadamente criadas. A frequência do vórtice é diretamente proporcional à velocidade do líquido; Medidores de Fluxo do Tipo Vórtice Sensores adequados (capacitivos por exemplo) detectam os vórtices e dispositivos eletrônicos indicam o fluxo instantâneo ou fluxo total em um dado intervalo de tempo; O corpo imerso no fluido apresenta diferentes tamanho e formas. 17

18 Medidores Mecânicos Usados em líquidos não voláteis; São usados para aplicações de alta precisão como por exemplo medição de agua residencial; Medidores que utilizam partes móveis, engrenagens, rotores ou turbinas para medir fluxo são dessa família; Medidores Mecânicos Nesse tipo de medidor o fluido precisa ser limpo, pois partículas podem danificar ou gerar erros consideráveis; Os medidores de disco rotativo são os mais comuns (hidrômetro) o fluxo da água provoca o movimento do eixo. Os medidores do tipo deslocamento positivo não necessitam de fonte de alimentação para funcionar e estão disponíveis em diversos tamanhos. Medidores Mecânicos 18