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 Conceitos de Pressão Pressão Absoluta: Definida como a diferença entre a pressão em um ponto particular num fluido e a pressão absoluta (zero), isto é, vácuo completo; Pressão Manométrica: É a medição da pressão em relação à pressão atmosférica existente no local, podendo ser positiva ou negativa; Pressão Diferencial: é a diferença medida entre duas pressões conhecidas, mas nenhuma delas é a pressão atmosférica; Pressão Negativa ou Vácuo: é quando o sistema tem pressão relativa menor que a pressão atmosférica. 1

2 Conceitos de Pressão Conceitos de Pressão Pressão Estática: é a pressão exercida por um líquido em repouso ou que esteja fluindo perpendicularmente à tomada de impulso, por unidade de área exercida; Pressão Cinética: é a pressão exercida por um fluido em movimento. É medida fazendo a tomada de impulso de tal forma que recebe o impacto do fluido. Métodos de Medição de Pressão Medidores Mecânicos 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). Manômetros de fluido do tipo tubo de vidro; Manômetros baseados na deformação mecânica de elementos; Manômetros do Tipo Tubo de Vidro Manômetros do Tipo Tubo de Vidro 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. O sistema entra em equilíbrio de acordo com a pressão que atua sobre o tubo em ambas extremidades; 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. 2

3 Manômetros do Tipo Tubo de Vidro Manômetros do Tipo Tubo de Vidro Manômetros do tipo U Manômetros do tipo Tanque: o braço do tubo é substituído por um tanque com diâmetro grande. Manômetros do Tipo Tubo de Vidro Manômetros do Tipo Tubo de Vidro Manômetros do tipo Tipo Tubo Inclinado: é usado para medir pequenas diferenças de pressão. Manômetros simples: sua estrutura é semelhante ao manômetro do tipo tanque, a diferença é que um dos lados do tubo é fechado. Manômetros baseados na Deformação Mecânica dos Elementos 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 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. 3

4 Manômetros baseados na Deformação Mecânica dos Elementos Diagramas e foles Manômetros baseados na Deformação Mecânica dos Elementos Tubos Existem dois tipos: liso e o superfície ondulada. 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. Liso Ondulado 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. 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 C Manômetros baseados na Deformação Mecânica dos Elementos Tubos Bourdon tipo tubo torcido A aplicação de pressão causa o movimento de torção. 4

5 . 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. 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 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. Simples Diferencial 5

6 Sensores de Pressão Piezoelétricos 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. Pilha de sensores piezoelétricos Esquema 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; Existem módulos piezoelétricos que possuem junto ao elemento sensor um amplificador que tem a função de baixar impedância do sistema proporcionando melhor desempenho. 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 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; 6

7 Sensores de Pressão Piezorresistivos 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 A medição normalmente é realizada do fundo do recipiente em direção à superfície ou um ponto de referência do material a ser medido; SENSORES DE NÍVEL 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. 7

8 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; 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. Indicadores e visores de nível Medição direta de nível com a visualização de um visualizador. 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; 8

9 Medidores de nível com boias e flutuadores Chave de nível do tipo boia: 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 detectores magnéticos 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; 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. 9

10 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. 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 do tipo hidrostático É realizada a medição da pressão no fundo do reservatório; Em tanques fechados é calculada a pressão diferencial entre o ponto de baixa pressão (acima do líquido) e o ponto de alta pressão (na base do reservatório); Medidores de pressão diferenciais usados para obter níveis geralmente possuem ajustes mecânicos ou eletrônicos para efeitos de elevação ou supressão do zero e a ajustar os valores de SPAN desses parâmetros. 10

11 Medidor de nível do tipo hidrostático Medidor de nível do tipo hidrostático 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 11

12 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 vibração Feito por meio de detectores que funcionam como chaves. Esses são construídos em forma de um garfo com dentes simétricos preso por uma membrana que faz parte da montagem do sistema; O sistema é estimulado por um cristal piezoelétrico; Principais características: 1. Robustez; 2. Pode ser montado em qualquer posição; 3. E não necessita de partes móveis. 12

13 Medidor de nível por vibração 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. 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 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. 13

14 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. 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. 14

15 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. 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. 15

16 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. 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. 16

17 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. 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. 17

18 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. 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 18

19 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. 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 19