II INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL Prof. Eduardo Calsan Tecnologia em Polímeros
Introdução: Define-se pressão como sendo a força exercida por um fluido sobre uma determinada área. P = F/A Ao nível do mar, verifica-se experimentalmente que a pressão exercida pelo ar tem a capacidade de equilibrar uma coluna de mercúrio de 760mm de altura, a 0 C e a uma aceleração da gravidade de 9,806665m/seg². Ou seja, a pressão que o ar exerce num determinado corpo depende da altitude do local. Onde o ar é mais rarefeito, em grandes altitudes, a pressão do ar é menor do que ao nível do mar. Em São Paulo, por exemplo, a pressão que o ar exerce sobre os corpos é de, aproximadamente, 700mm de mercúrio. 2
Como chegou-se às definições apresentadas? Torricelli, em 1.643, explica. Consiste de um tubo de vidro com quase 1 m de comprimento, fechado numa extremidade e aberto noutra, e preenchido com mercúrio (Hg). A extremidade aberta do tubo é invertida num pequeno recipiente aberto com mercúrio. A coluna de mercúrio desce para dentro do recipiente até que o peso da coluna de mercúrio iguale o peso de uma coluna de ar de igual diâmetro, que se estende da superfície até o topo da atmosfera. O comprimento da coluna de mercúrio, portanto, torna-se uma medida da pressão atmosférica. A pressão atmosférica média no nível do mar mede 760 mm Hg. 3
As várias pressões... Pressão relativa Pressão atmosférica Vácuo Vácuo absoluto Pressão absoluta pressão relativa: pressão medida tendo como referência a pressão atmosférica. Também chamada de pressão manométrica. É relativa porque seu valor tem relação à pressão atmosférica; vácuo: pressão medida, a partir da atmosférica, para baixo. Cuidado! Não é pressão negativa muito menos ausência de algo... pressão absoluta: pressão que realmente age num determinado ponto do fluido e é dada pela soma da relativa com a atmosférica. 4
pressão diferencial: diferença entre duas pressões, utilizada para a medida de perda de carga; pressão estática: é a pressão relativa que realmente atua num ponto do processo e a mesma em todos os pontos de uma secção de tubulação; pressão dinâmica: é a pressão devido à energia cinética adquirida pelas partículas do fluido; relações: 1. pressão relativa + pressão atmosférica = pressão absoluta; 2. pressão absoluta + vácuo = pressão atmosférica. 5
Unidades de medida - Sistema CGS: dina/cm²; - Sistema Internacional: Newton/m²; - Sistema MKS: kgf/cm²; - Países de língua inglesa: psi (pound/square inch); - Outras unidades: cm Hg (centímetros de mercúrio), Torricelli (milímetros de mercúrio), Hg (polegadas de mercúrio), cm H 2 O (centímetros de água), H 2 O (polegadas de água), atm (atmosfera), bar; - Conversão: uso de tabela. OBS.: tanto o mercúrio quanto a água possuem densidades diferentes de acordo com a temperatura. 6
Por que se mede pressão? 7
Dispositivos para medida de pressão Célula de carga Estrutura mecânica que recebe um esforço, deforma-se dentro de uma faixa estabelecida e gera uma saída proporcional em resistência elétrica (extensômetro = strain gage). 2ª Lei de Ohm: R =ρ(l/a) Ponte de Wheatstone 8
Vantagens: precisão, baixo custo, excelente resposta dinâmica, facilidade de instalação, robustez (água e atmosfera corrosiva), possibilidade de se efetuar medidas a distância. Fabricação: ligas metálicas (constantan = níquel + cobre) ou nicromo (níquel + cromo), com resistências padronizadas de 60, 120, 240, 350, 500 ou 1000Ω. Utilização: balanças, pesagem de silos e tanques, dosagem. 9
Transdutor de pressão piezoelétrico Elemento sensor de pressão cuja característica de medida baseia-se na propriedade piezoelétrica do cristal de quartzo. Quando deformado tem como resposta uma diferença de potencial elétrico em seus terminais. A força é aplicada em um eletrodo metálico (invólucro), transmitida até o cristal de quartzo. Os cristais do elemento químico interagem entre si e com a força, resultando numa diferença de potencial. 10
Utilização: testes e monitoramento de unidades acústicas, hidráulicas, pneumáticas, máquinas, carros, aviões, navios, motores de foguetes, locomotivas, geradores. Vantagem: extremamente preciso. Desvantagem: preço devido ao cristal de quartzo para esta finalidade. 11
Tubo de Bourdon Elemento sensor de pressão que consiste em informar a pressão de um fluido em deslocamento através de um sinal elétrico proporcional ou através de um deslocamento de ponteiro. Elemento sensível é um tubo metálico, em forma de C, espiral ou helicoidal. Quando a pressão é aplicada, a secção tende a aumentar, aproximando-se mais de uma forma circular, deformando o elemento, cujo movimento é transmitido a um ponteiro ou a outro dispositivo para a transformação em sinal elétrico. 12
Construção: confeccionados em ligas de cobre e níquel por terem baixos coeficientes de dilatação pelo calor. Também pode ser feito em aço inoxidável. Materiais: tombak, latão, bronze Vantagens: amplitude, resposta mais rápida, isenção de faixa morta, precisão. Utilização: em toda transformação de pressão em indicação. 13
Tubo em U Elemento primário usado para medir diferença entre pressões (aplicando pressões diferentes em cada ramo), pressão relativa (deixando um ramo aberto para a atmosfera), vácuo e pressão absoluta. 14
Manômetro de reservatório Elemento primário usado para medir pressão. Nesse tipo de manômetro uma das colunas é substituída por um reservatório. Quando não há pressão, o líquido da cuba e da coluna encontram-se em repouso. Aplicando-se uma pressão, o líquido sobe na coluna e desce na cuba, assumindo uma posição final. 15
Manômetro de Bourdon É o elemento mais encontrado nas indústrias. 16
Manômetro de fole É o elemento cuja pressão exercida pelo fluido atua sobre um fole. Essa pressão opõe-se a força exercida por uma mola, provocando um deslocamento proporcional do ponteiro. 17
Acessórios - pressões sujeitas à oscilações bruscas (descarga de bombas e compressores); - fluidos viscosos que podem entupir as tubulações; - fluidos a alta temperatura que podem danificar o material do elemento de medição; - fluidos corrosivos com possibilidade de atacar o elemento de medição; - fluidos sanitários que podem alojar-se em cavidades, possibilitando a cultura de bactérias e contaminação do material. 18
Selo de diafragma = isola o fluido do manômetro Válvula agulha = amortece a pressão exercida no manômetro Pigtail (sifão) = proteção contra altas temperaturas 19
Referências: 1- COSTA, Augusto Diniz da. Instrumentação. Vol. 1. São Bernardo do Campo: Editora da ETE Lauro Gomes, 1.995. 2- Cursos Piping. Instrumentação Elétrica e Pneumática. Santo André, 1.996. 3- THOMAZINE, Daniel & ALBUQUERQUE, Pedro Urbano Braga de. Sensores industriais. Fundamentos e aplicações. 7. ed.. São Paulo: Editora Érica, 2.010. 4- http://fisica.ufpr.br/grimm/aposmeteo/cap4/cap4-6.html, acessado em 03/04/11. 5- http://www.toledobrasil.com.br/produtos/balanca/820/tecnologia-celula.php, acessado em 03/04/11. 6- http://www.microanalise.com.br/produtos.htm, acessado em 03/04/11. 7- http://www.stanford.edu/class/me220/data/lectures/lect03/fig3_2.gif, acessado em 03/04/11. 8- http://www.mecatronicaatual.com.br/secoes/leitura/49/imprimir:yes, acessado em 03/04/11. 20
Referências: 9- http://www.estudiolivre.org/img/wiki_up/trig_piezo.jpg, acessado em 03/04/11. 10- http://www.motorpasion.com.br/meio-ambiente/entenda-como-funciona-oasfalto-sustentavel, acessado em 03/04/11. 11- http://www.amperesautomation.hpg.ig.com.br/image603.gif, acessado em 03/04/11. 12- http://www.eq.uc.pt/~lferreira/bibl_sem/global/bourdon/imagens/espiral.gif, acessado em 03/04/11. 13- http://algol.fis.uc.pt/quark/viewtopic.php?f=8&t=174, acessado em 03/04/11. 14- http://www.3bscientific.com.br/manometro-de-tubo-em-uu8410450,p_83_110_856_14309.html, acessado em 03/04/11. 15- http://www.nei.com.br/images/lg/223529.jpg, acessado em 03/04/11. 16- http://www.zscomercial.com.br/goto/store/textos.aspx?sid=43686edfa4f4abf818a2 23b65a4b425b&id=92, acessado em 03/04/11. 21
Referências: 17- http://www.eq.uc.pt/~lferreira/bibl_sem/global/fole/imagens/funcion1.jpg, acessado em 03/04/11. 18- http://www.rucken.com.br/images/selo.jpg, acessado em 03/04/11. 19- http://acquaticos.blogspot.com/2010/10/valvulas-de-agulha-para-ajustefino.html, acessado em 03/04/11. 20- Fotos: Técnico Felipe Manhas. 22