Medição INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL ENG3501 PROFª. LETÍCIA CHAVES FONSECA
Medição 1. INTRODUÇÃO 2. CONCEITOS DE PRESSÃO 3. DISPOSITIVOS DE MEDIÇÃO DE PRESSÃO 4. BIBLIOGRAFIA 2
1. Introdução Medição de pressão é o mais importante padrão de medida, pois as medidas de vazão, nível, temperatura, etc. podem ser feitas utilizando-se esse princípio. 3
2. Conceitos de pressão Pressão é definida como uma força aplicada uniformemente sobre um superfície (área). P = F/A onde: P = Pressão F = Força A = Área 4
2. Conceitos de pressão 2.1 Pressão Atmosférica É a pressão exercida pela camada de ar sobre a superfície terrestre. Ao nível do mar esta pressão é aproximadamente de 760 mmhg. 5
2. Conceitos de pressão 2.2 Pressão Relativa Positiva ou Manométrica É a pressão medida em relação à pressão atmosférica, tomada como unidade de referência. 6
2. Conceitos de pressão 2.4 Pressão Relativa Negativa ou Vácuo É quando um sistema tem pressão relativa menor que a pressão atmosférica. 7
2. Conceitos de pressão 2.3 Pressão Absoluta É a soma da pressão relativa e atmosférica ou medida a partir do vácuo absoluto. Importante: Determinar se a pressão é relativa ou absoluta. Ex: 3 Kgf/cm2 a Pressão Absoluta 4 Kgf/cm2 g Pressão Relativa ou Manométrica ( Gauge) O fato de se omitir esta informação na indústria significa que a maior parte dos instrumentos medem pressão relativa. 8
2. Conceitos de pressão 2.5 Diagrama Comparativo das Escalas 9
2. Conceitos de pressão 2.6 Pressão Diferencial É a diferença entre 2 pressões, sendo representada pelo símbolo ΔP. Essa diferença de pressão normalmente é utilizada para medir vazão, nível, densidade, diferencial de pressão, etc. 2.7 Pressão Estática É a pressão exercida em um ponto, em fluidos estáticos, que é transmitida integralmente em todas as direções e produz a mesma força em áreas iguais. 10
2. Conceitos de pressão 2.6 Pressão Diferencial É a diferença entre 2 pressões, sendo representada pelo símbolo ΔP. Essa diferença de pressão normalmente é utilizada para medir vazão, nível, densidade, diferencial de pressão, etc. 2.7 Pressão Estática É a pressão exercida em um ponto, em fluidos estáticos, que é transmitida integralmente em todas as direções e produz a mesma força em áreas iguais. 11
2. Conceitos de pressão 2.8 Pressão Dinâmica É a pressão exercida por um fluído em movimento paralelo à sua corrente. 2.9 Pressão Total É a pressão resultante da somatória das pressões estáticas e dinâmicas exercidas por um fluido que se encontra em movimento. 12
2. Conceitos de pressão 2.10 Unidades A pressão possui vários tipos de unidade. Os sistemas de unidade MKS, CGS, gravitacional e unidade do sistema de coluna de líquido são utilizados tendo como referência a pressão atmosférica e são escolhidas, dependendo da área de utilização, tipos de medida de pressão, faixa de medição, etc. Em geral são utilizados para medição de pressão, as unidades Pa, N/m², kgf/cm², mhg, mh2o, lbf/pol2, Atm e bar. 13
2. Conceitos de pressão 2.10 Unidades Na indústria temos instrumentos padrões com todas as unidades e para isto é necessário saber fazer a conversão. 14
Tipos de elementos sensíveis: aquele que recebe a pressão a ser medida e a transforma em deslocamento ou força: Tubo Bourdon Membrana ou Diafragma Fole Coluna de Líquido Sensor tipo Piezoelétrico Sensor tipo Strain Gauge ou Piezoresistivo Sensor tipo Capacitivo Sensor tipo Silício Ressonante 15
O instrumento mais simples para se medir pressão é o manômetro, que pode ter vários elementos sensíveis e ser utilizados também pelos transmissores e controladores. 16
Manômetros são dispositivos utilizados para indicação local de pressão e em geral divididos em duas partes principais: o manômetro de líquidos: que utiliza um líquido como meio para se medir a pressão; o manômetro tipo elástico: que utiliza a deformação de um elemento elástico como meio para se medir pressão. 17
A tabela a seguir classifica os manômetros de acordo com os elementos de recepção. Tipos de Manômetros Manômetros elásticos Manômetros de líquidos Elementos de recepção Tipo Tubo de Bourdon Tipo C Tipo Espiral Tipo Helicoidal Tipo Diafragma Tipo Fole Tipo Tubo em U Tipo Tubo reto Tipo Tubo Inclinado 18
3.1 Manômetros Tipo Elástico Os manômetros tipo elástico baseia-se na lei de Hooke sobre elasticidade dos materiais. Em 1676, Robert Hook estabeleceu essa lei que relaciona a força aplicada em um corpo e a deformação por ele sofrida. Em seu enunciado ele disse: o módulo da força aplicada em um corpo é proporcional à deformação provocada. 19
3.1 Manômetros Tipo Elástico Essa deformação pode ser dividida em elástica (determinada pelo limite de elasticidade), e plástica ou permanente. Os medidores de pressão tipo elástico são submetidos a valores de pressão sempre abaixo do limite de elasticidade, pois assim cessada a força a ele submetida o medidor retorna a sua posição inicial sem perder suas características. 20
3.1.1 Tubo Bourdon Tubo com seção oval, tendo uma extremidade fechada e 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. 21
de Pressão 22
3.1.1 Tubo Bourdon 23
3.1.1 Tubo Bourdon Vídeo - Calibração 24
3.1.1 Tubo Bourdon Quanto à forma, o tubo Bourdon pode se apresentar nas seguintes formas: Tipo C Tipo Espiral 25
3.1.1 Tubo Bourdon Quanto à forma, o tubo Bourdon pode se apresentar nas seguintes formas: Tipo Helicoidal 26
3.1.2 Membrana ou Diafragma É constituído pôr 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. 27
3.1.2 Membrana ou Diafragma O diafragma geralmente é ondulado ou corrugado para aumentar sua área efetiva. 28
3.1.3 Fole É basicamente um cilindro metálico, corrugado ou sanfonado. O fole é um elemento bastante utilizado, mas quase nunca independentemente e sim em conjunto com uma mola que força o fole a voltar à posição inicial, uma vez cessada a força devida à pressão. Apresenta uma das extremidades fixas e a variação de pressão no seu interior, faz com que ele se distenda ou se contraia, atuando sobre um ponteiro que indica, numa escala graduada em unidade de pressão, o movimento da extremidade livre do fole. 29
3.1.3 Fole 30
A tabela abaixo mostra os principais tipos de elementos de recepção utilizados na medição de pressão baseada na deformação elástica, bem como sua aplicação e faixa recomendável de trabalho. 31
3.2 Manômetro de Líquido 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. 32
3.2 Manômetro de Líquido As colunas podem ser basicamente de três tipos: coluna reta vertical, reta inclinada e em forma de U. Os líquidos mais utilizados nas colunas são: água (normalmente com um corante) e mercúrio. Quando se aplica uma pressão na coluna o líquido é deslocado, sendo que este deslocamento é proporcional à pressão aplicada. P1 P2 = h. d 33
3.2 Manômetro de Líquido 34
3.2 Manômetro de Líquido 35
3.2 Manômetro de Líquido 36
3.2 Manômetro de Líquido 37
3.2 Manômetro de Líquido 38
3.2 Manômetro de Líquido Neste tipo de medidor a tensão superficial dos líquidos é evidente, ou seja, devido à força de coesão e adesão entre as moléculas do vidro do líquido, aparece o que chamamos de menisco. 39
3.2 Manômetro de Líquido Tubos pequenos diâmetros: superfície do líquido curva. Água e o álcool (tensão superficial baixa): superfície côncava. Mercúrio (tensão superficial alta): menisco convexo. Para evitar o erro de paralaxe quando fizermos a leitura de pressão, esta deve ser feita na direção horizontal no ápice do menisco. 40
3.2 Manômetro de Líquido 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. 41
3.2 Manômetro de Líquido Influência da temperatura na leitura Como a medição de pressão utilizando manômetro de líquido depende do peso específico do mesmo, a temperatura do ambiente onde o instrumento está instalado irá influenciar no resultado da leitura e portanto sua variação, caso ocorra, deve ser compensada. 42
3.2 Manômetro de Líquido Influência da temperatura na leitura Na prática, utiliza-se a temperatura de 20ºC como referência e esta deve ser escrita na escala de pressão. Outra influência da temperatura na medição de pressão por este instrumento é no comprimento da escala que muda em função de sua variação e em leituras precisas deve ser também compensada. 43
3.2 Manômetro de Líquido Aplicação Os manômetros de líquido foram largamente utilizados na medição de pressão, nível e vazão nos primórdios da instrumentação. 44
3.2 Manômetro de Líquido Aplicação Hoje, com o advento de outras tecnologias que permitem leituras remotas, a aplicação destes instrumentos na área industrial se limite a locais ou processos cujos valores medidos não são cruciais no resultado do processo ou a locais cuja distância da sala de controle inviabiliza a instalação de outro tipo de instrumento. 45
3.2 Manômetro de Líquido Aplicação Porém, é nos laboratórios de calibração que ainda encontramos sua grande utilização, pois podem ser tratados como padrões. 46
3.3 Sensor tipo Piezoelétrico Os elementos piezoelétricos são cristais (quartzo, turmalina e titanato) que acumulam cargas elétricas em certas áreas da estrutura cristalina, quando sofre uma deformação física, por ação de uma pressão. São elementos pequenos e de construção robusta. Sinal de resposta linear com a variação de pressão. 47
3.3 Sensor tipo Piezoelétrico Sinais de altíssimas frequências de milhões de ciclos por segundo. O efeito piezoelétrico é um fenômeno reversível. Se conectado a um potencial elétrico, resultará em uma correspondente alteração da forma cristalina. Este efeito é altamente estável e exato, por isso é utilizado em relógios de precisão. 48
3.3 Sensor tipo Piezoelétrico A carga devida à alteração da forma é gerada sem energia auxiliar, uma vez que o quartzo é um elemento transmissor ativo. Esta carga é conectada à entrada de um amplificador, sendo indicada ou convertida em um sinal de saída, para tratamento posterior. 49
Transdutor Piezoelétrico 50
Transdutor Piezoelétrico 51
Transdutor Piezoelétrico 52
Asfalto Sustentável 53
3.4 Sensor tipo Strain Gauge ou Piezoresistivo Baseia-se no princípio de variação da resistência de um fio, mudando-se as suas dimensões. Onde: R: Resistencia do condutor ρ: Resistividade do material L: Comprimento do condutor S: Area da secao transversal 54
3.4 Sensor tipo Strain Gauge ou Piezoresistivo Pela equação temos que a resistência elétrica de um condutor é diretamente proporcional à resistividade e ao comprimento e inversamente proporcional a área da seção transversal. 55
3.4 Sensor tipo Strain Gauge ou Piezoresistivo A maneira mais prática de alterarmos as dimensões de um condutor é tracionarmos o mesmo no sentido axial como mostrado a seguir: 56
3.4 Sensor tipo Strain Gauge ou Piezoresistivo O sensor consiste de um fio firmemente colado sobre uma lâmina de base, dobrando-se tão compacto quanto possível. Esta montagem denomina-se tira extensiométrica. 57
3.4 Sensor tipo Strain Gauge ou Piezoresistivo O fio, apesar de solidamente ligado à lâmina de base, precisa estar eletricamente isolado da mesma. Uma das extremidades é fixada em um ponto de rígido enquanto a outra será o ponto de aplicação de força. 58
3.4 Sensor tipo Strain Gauge ou Piezoresistivo Um material ao sofrer uma flexão, suas fibras internas serão submetidas a dois tipos de deformação: Tração Compressão. 59
3.4 Sensor tipo Strain Gauge ou Piezoresistivo As fibras externas sofrem um alongamento com a tração (maior raio de curvatura), enquanto as fibras internas sofrem uma redução de comprimento (menor raio de curvatura). Variação da resistência total 60
3.4 Sensor tipo Strain Gauge ou Piezoresistivo A ligação ideal para um Strain Gauge com 4 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. 61
3.4 Sensor tipo Strain Gauge ou Piezoresistivo Exemplo de aplicação: Célula de carga 62
3.5 Sensor tipo Capacitivo A principal característica dos sensores capacitivos é a completa eliminação dos sistemas de alavancas na transferência da força / deslocamento entre o processo e o sensor. 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. 63
3.5 Sensor tipo Capacitivo Esta montagem elimina os problemas mecânicos das partes móveis mas expõe a célula capacitiva às rudes condições do processo, principalmente a temperatura do processo. Este inconveniente pode ser superado através de circuitos sensíveis a temperatura, montados juntos ao sensor. 64
3.5 Sensor tipo Capacitivo Outra característica inerente à montagem é a falta de linearidade entre a capacitância e a distância das armaduras devido á deformação não linear, portanto se faz necessário uma compensação (linearização) a cargo do circuito eletrônico. 65
66
3.6 Sensor tipo Silício Ressonante Consiste de uma cápsula de silício colocada estrategicamente em um diafragma, utilizando o diferencial de pressão para vibrar em maior ou menor intensidade, afim de que essa frequência seja proporcional à pressão aplicada. 67
3.6 Sensor tipo Silício Ressonante 68
3.6 Sensor tipo Silício Ressonante Construção do sensor 69
3.6 Sensor tipo Silício Ressonante Detalhe construção do sensor para melhor compreensão 70
3.6 Sensor tipo Silício Ressonante Fatores que influenciam na ressonância do sensor de silício: Campo magnético gerado por um imã permanente posicionado sobre o sensor; Campo elétrico gerado pôr uma corrente em AC Pressão exercida sobre o sensor 71
3.6 Sensor tipo Silício Ressonante 72
3.6 Sensor tipo Silício Ressonante A combinação do fator campo magnético /campo elétrico é responsável pela vibração do sensor. Um dos sensores ficará localizado ao centro do diafragma (FC), enquanto que o outro terá a sua disposição física mais à borda do diafragma (FR). 73
3.6 Sensor tipo Silício Ressonante Por estarem localizadas em locais diferentes, porém, no mesmo encapsulamento, uma sofrerá compressão e a outra tração conforme a aplicação de pressão sentida pelo diafragma. Desta maneira, os sensores possuirão uma diferença de frequência entre si. Esta diferença pode ser sentida por um circuito eletrônico, e será proporcional ao ΔP aplicado. 74
3.6 Sensor tipo Silício Ressonante 75
3.6 Sensor tipo Silício Ressonante 76
4. BIBLIOGRAFIA ALVES, J. L. L. Instrumentação, controle e automação de processos. 2. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2010. PESSA, Rogério. Manual de Treinamento SMAR: Instrumentação Básica para Controle de Processo. Rev. 2.10. SMAR, 2004. PAZOS, F. Automação de sistemas e robótica. Rio de Janeiro: Axcel Books, 2002. 77