Fundamentos de Medição de Pressão

Transcrição

1 Fundamentos de Medição de Pressão Fonte: Simone Acosta

2 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 A onde: P = Pressão F = Força A = Área

3 A unidade SI O pascal é uma unidade muito pequena, que equivale à pressão exercida por uma coluna d'água de altura de 0,1 mm (pressão de uma cédula de dinheiro sobre uma superfície plana). Na prática, usa-se o kilopascal (kpa) e o megapascal (MPa).

4 Outras unidades: psi (lbf/in 2 ) kgf/cm 2 mm de coluna liquida Pascal não depende da aceleração da gravidade do local e da densidade do liquido!

5 Torricelli inventou o barômetro

6 Medição de pressão com o manômetro

7 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.

8 PRESSÃO ATMOSFÉRICA

9 PRESSÃO RELATIVA (MANOMÉTRICA) Medida em relação à pressão atmosférica. Pode ser positiva ou negativa. Importante: Podemos colocar após a unidade a letra g ou não. Exemplo: 3 psig = 3 psi

10 PRESSÃO RELATIVA POSITIVA É quando um sistema tem pressão relativa maior que a pressão atmosférica.

11 PRESSÃO RELATIVA NEGATIVA OU VÁCUO É quando um sistema tem pressão relativa menor que a pressão atmosférica.

12 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/cm 2 ABS ou 3 kgf/cm 2 A - Pressão Absoluta 4 kgf/cm 2 - Pressão Relativa

13 - Pressão Relativa (ou P. Efetiva ou Pressão) - Pressão Absoluta (ou Zero Absoluto ou Vácuo Perfeito) Medição de Pressão ESCALAS DE PRESSÃO Pabs = Prel + Patm

14 Tipos de Pressão Pressão Diferencial Diferença de pressão entre dois pontos ( P).

15 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.

16 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

17 PRESSÃO MANOMÉTRICA Medição de Pressão Definições: Pressão = força área [ kgf/cm²; lbf/pol²; N/m²] Massa Específica = massa volume [ kg/m³; g/cm³] Peso Específico = peso volume [kgf/m³; gf/cm³]

18 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) = mmca = mmca(20 C) = kgf/m² = 1,033 kgf/cm²= 14,696 psi = 101,325 kpa (N/m²) = 1,01325 bar = 407,2 "H 2 O.

19 TABELA DE CONVERSÃO PSI KPA Polegadas H 2 O mmh 2 O Polegadas Hg mmhg Bars m Bars Kgf/cm 2 gf/cm 2 PSI 1 6, , ,1500 2, ,7150 0, ,9470 0, ,3070 KPA 0, , ,2742 0,2953 7,5007 0, ,0000 0, ,1972 Polegadas H 2 O 0,0361 0, ,4210 0,0734 1,8650 0,0025 2,4864 0,0025 2,5355 mmh 2 O 0,0014 0,0098 0, ,0028 0,0734 0,0001 0,0979 0,0001 0,0982 Polegadas Hg 0,4912 3, , , ,4000 0, ,864 0, ,532 mmhg 0,0193 0,1331 0, ,6200 0, ,0013 1,3332 0,0014 1,3595 Bars 14, ,00 402, , , , , ,700 m Bars 0,0145 0,1000 0,402 10,2150 0,0295 0,7501 0, ,0010 1,0197 Kgf/cm 2 14, , , ,0 28, ,560 0, , gf/cm 2 0,0142 0,0970 0, ,0180 0,0290 0,7356 0,0009 0,9807 0,001 1 Exemplo 1 mmhg = 0,5362 pol, H 2 O = 1,3332 m Bars 97 mmhg = 97(0,5362) = 52,0114 pol, H 2 O 97 mmhg = 97(1,3332) =129,3204 m Bars

20 MEDIDORES DE PRESSÃO Medidores por elementos elásticos Medidores por coluna líquida Medidores especiais

21 MEDIDORES DE PRESSÃO

22 MEDIDORES DE PRESSÃO

23 MEDIDORES DE PRESSÃO

24 Medidores por Elementos Elásticos

25 Tubos de Bourdon P

26 Tubos de Bourdon 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. P P a) Tipo C b) Tipo Espiral c) Tipo Helicoidal P

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28 TUBO BOURDON

29 TUBO BOURDON

30 TUBO BOURDON

31 Medidores de Bourdon O medidor tipo tubo de Bourdon é universalmente utilizado na faixa de 0-10 psi até 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.

32 Medidores de Bourdon Limitações 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.

33 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.

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35 Fabricação Medição de Pressão

36 Manômetro Duplo 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.

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39 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 PONTEIRO MOLA PRESSAO DIAFRAGMA CONEXÃO DE PRESSÃO DIAFRAGMA

40 MEDIDOR TIPO FOLE 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. Fole Pressão FOLE Mola PROCESSO

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42 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.

43 Video Pascal calibração

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45 Medidores de Coluna Líquida

46 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.

47 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. p 2 p 1 h Onde h = h1 - h2

48 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 mh 2 O caso se utilize água destilada, e 2 mhg com utilização do mercúrio.

49 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.

50 TIPOS DE MANÔMETRO LÍQUIDO Manômetro tipo Coluna em U 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. A superfície do líquido desce no lado de alta pressão e sobe no lado de baixa pressão. P1 P2 P1 P2 = h.dr

51 TIPOS DE MANÔMETRO LÍQUIDO Manômetro tipo Coluna em U 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. P1 P2

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53 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.

54 Manômetro tipo Coluna Reta Vertical Chamando as áreas do ramo reto e do ramo de maior área de a e A, respectivamente, e aplicando pressões P 1 e P 2 em suas extremidades teremos pela equação manométrica: P 1 P2 h2 h1 Como o volume deslocado é o mesmo, teremos: A.h 1 a.h2 h1. h2 Substituindo o valor de h1 na equação manométrica, teremos: 1 - P2.h (1 P 2 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: a A P - P.h ) a A

55 Manômetro tipo Coluna Inclinada Este Manômetro é utilizado para medir baixas pressões na ordem de 50 mmh 2 O. 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 mmh 2 O).

56 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. P 1 e P 2 são as pressões aplicadas, sendo P 1 P 2. P 1 P 2 =. h a + sen A

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58 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.

59 Medidores Especiais

60 Transdutor de Pressão Indutivo (LVDT) O transdutor de indutância variável (LVDT) utiliza: - Bobina primária - Bobina secundária - Núcleo magnético (entre as duas bobinas).

61 Transdutor de Pressão Indutivo (LVDT)

62 Transdutor de Pressão Indutivo (LVDT) O núcleo é conectado a um sensor de pressão (por exemplo, diafragma). Quando ocorre uma variação da pressão, este núcleo se movimenta e altera o número de espiras induzidas, variando a tensão.

63 Sensor Piezoelétrico 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. - Pequenos e de construção robusta. - Resposta é linear com a variação de pressão, são capazes de - Fornecem sinais de altíssimas freqüências.

64 SENSOR STRAIN Medição GAUGE de Pressão OU PIEZORESISTIVO ou CÉLULAS DE CARGA Baseia-se no princípio de variação da resistência de um fio, mudando-se as suas dimensões. R = l. S R : Resistência do condutor : Resistividade do material L : Comprimento do condutor S : Área da seção transversal

65 Uma das extremidades da lâmina é fixada em um ponto de apoio rígido enquanto a outra extremidade será o ponto de aplicação de força. Ponto de aplicação da força Fio solidário a base F Lâmina de base (Flexível)

66 A ligação ideal para um Strain Gauge com quatro tiras extensiométricas é o circuito em ponte de Wheatstone, - Vantagem de compensar as variações de temperatura ambiente.

67 STRAIN GAUGE OU PIEZORESISTIVO

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69 Transdutor de Pressão Capacitivo Mede a deformação das placas do capacitor. C = K A d A = área das placas d = distância entre as placas

70 CÉLULA CAPACITIVA Se P1 > P2 d1 aumenta e d2 diminui C1 diminui e C2 aumenta d 1 d 2

71 Transdutor de Pressão Capacitivo

72 Transmissor Pressão Diferencial Capacitivo

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74 Transmissor Pressão Diferencial Capacitivo

75 Transdutor de Pressão Capacitivo

76 Transdutor de Pressão Capacitivo Diagrama de Blocos

77 Transdutor de Pressão Capacitivo Diagrama de Blocos

78 Transdutor de Pressão Capacitivo LD 301 Transmissor de pressão SMAR

79 LD301 da SMAR

80 INSTALAÇÃO DO TRANSMISSOR DE PRESSÃO SMAR LD-301

81 Calibração de Transmissores

82 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.

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84 Fatores que irão influenciar na ressonância do sensor: -Pressões exercidas sobre o sensor - O campo magnético gerado por um imã permanente posicionado sobre o sensor; - O campo elétrico gerado por uma corrente alternada. A combinação do fator campo magnético/campo elétrico é responsável pela vibração do sensor.

85 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.

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89 TRANSMISSOR DE PRESSÃO DA TUBULAÇÃO DE VAPOR

90 TRANSMISSOR DE PRESSÃO DE VAPOR SUPERAQUECIDO PARA A TURBINA

91 Transmissores de Pressão

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93 Válvula Reguladora de Pressão

94 Pressostato É um instrumento de medição de pressão utilizado para proteção de equipamento ou processos industriais contra sobrepressão ou subpressão. É constituído por um sensor, um mecanismo de ajuste de setpoint e uma chave de duas posições (aberto ou fechado).

95 Pressostato Como elemento sensor, pode-se utilizar qualquer um dos tipos já estudado, o mais é 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.

96 Pressostato 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.

97 Pressostato

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99 INSTALAÇÃO DO PRESSOSTATO NA LINHA DE ÁGUA

100 Normas de Proteção Internacional Classes de proteção => indicadas por um símbolo composto: a) duas letras IP (International Protection) b) dois dígitos que definem o grau de proteção Exemplo:

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104 Optico Medição de Pressão

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106 Optico Medição de Pressão Redes de Bragg

107 Optico Medição de Pressão Redes de Bragg

108 Condutividade Térmica Medição de Pressão

109 Condutividade Térmica Medição de Pressão Inventado por Marcello Pirani em Num medidor pirani, dois filamentos atuam como resistências em dois ramos de uma ponte de Wheatstone. São os filamentos de referência que são imersos em uma pressão fixa, enquanto que os filamentos de medida são expostos ao sistema de gás. A corrente através da ponte aquece ambos os filamentos. Moléculas de gás atingem os filamentos aquecidos e arrancam parte do seu calor, variando a temperatura e assim variando a resistividade do filamento. Se a pressão do gás ao redor do filamento de medida não está idêntica à que está ao redor do filamento de referência, a ponte fica desbalanceada e o grau de desbalanco é um indicativo da medida da pressão.

110 Condutividade Térmica Medição de Pressão

111 Ionização Medição de Pressão

112 Ionização Medição de Pressão

113 Ionização Medição de Pressão 400 V

114 Instalação dos Sensores

115 Medição de Líquidos O instrumento será montado abaixo ou mesmo nível do elemento primário.

116 Medição de Gases O instrumento será montado acima do elemento primário.

117 Medição de Vapores O instrumento será montado abaixo do elemento primário, se usar câmara de condensação.

118 Transdutor de Pressão SMAR LD301

119 Diagrama de Blocos

120 Configuração - Controlador

121 Configuração Rede Multiponto (max 15)

122 Ajuste Local

123 Ajuste Local