Toda variável de processo é medida a partir de princípios
físicos ou químicos, tem-se um condicionamento da medida e uma conversão com a
finalidade de facilitar a visualização do usuário. Foram desenvolvidas várias
técnicas de medição de pressão, apresentando assim uma variedade na escolha do
instrumento que melhor atenda a necessidade do processo, podendo ser um simples
manômetro, como os sofisticados transmissores com comunicação digital e
controle integrado.
Componentes dos medidores de pressão
De maneira básica, os medidores de pressão são divididos em
três partes principais, são elas:
Elemento de recepção:
Tem a função de recebe a pressão a ser medida e
transforma-la em deslocamento ou força. Exemplo: tubo de Bourdon, fole e
diafragma.
Elemento de transferência:
Tem a função de ampliar o deslocamento ou a força do
elemento de recepção ou o transforma em um sinal de transmissão que são
enviados ao elemento de indicação. Exemplo: links mecânicos, relés piloto,
amplificadores operacionais.
Elemento de indicação:
Tem a função de receber o sinal do elemento de transferência
e indicar ou registrar a pressão medida. Exemplo: ponteiros, displays.
Principais medidores
O mais conhecido medidor de pressão, sem dúvida alguma, é o
manômetro. Muito utilizado para medições de pressão em campo, principalmente
por depender somente da energia do fluído medido, ou em laboratórios, como os
manômetros de coluna, pela facilidade e simplicidade. Existem vários outros
medidores com princípios diferentes sendo que os principais medidores de
pressão serão comentados em algumas publicações:
Manômetros
São utilizados para indicação local de pressão e normalmente
são divididos em dois tipos principais, os manômetros de líquido e os
manômetros elásticos, por vez, os tipos de manômetros possuem diferentes tipos
de elemento de recepção.
A tabela abaixo
ilustra a classe e seus respectivos elementos de recepção.
Tipos de manômetros
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Elemento de recepção
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Manômetros
de líquidos
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Tipo tubo (coluna) em “U”
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Tipo de tubo (coluna) reto
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Tipo de tubo (coluna) inclinado
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Manômetros
elásticos
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Tipo tubo de Bourdon (divido em três tipos)
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- Tipo C
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- Tipo espiral
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- Tipo helicoidal
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Tipo diafragma
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Tipo fole
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Tipo cápsula
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Com uma construção bem simples e de baixo custo, seu
funcionamento é baseado na equação manométrica. Basicamente são construídos com
um tubo de vidro e área uniforme suportados em estrutura (devido fragilidade do
vidro), possuem escala graduada cuja leitura é realizada através do uso de um
líquido de enchimento.
A pressão medida é obtida pela leitura da altura do líquido
na escala graduada em função da pressão aplicada.
A princípio, qualquer líquido de baixa viscosidade (dificuldade
em fluir, ou seja, resistência ao escoamento) e não volátil (evapora com
facilidade em temperatura ambiente) podem ser utilizados como líquido de
enchimento, porém na prática a água destilada (possui pouca quantidade de sais
dissolvidos) e o mercúrio são os líquidos de enchimento mais utilizados.
A sua faixa de medição está associada ao peso específico do
líquido de enchimento e também a fragilidade do tubo de vidro, limitando seu
tamanho, esse tipo de instrumento é utilizado para medir baixar pressões. Na
prática a altura máxima da coluna é de 2 metros, sendo assim a pressão máxima
medida é de 2000 mmH2O, se utilizado água destilada e 2000 mmHg se
utilizado com mercúrio, lembrado que o peso especifico do mercúrio é muito maior
que o da água destilada por isso as pressões alcançadas, utilizando a mesma
unidade, são maiores (utilize a tabela do artigo Medição de pressão para conversão e comparação dos resultados).
Formação de menisco na leitura
O mercúrio e a água
destilada têm diferentes formas de menisco (curvatura apresentada na superfície
líquida de uma coluna em tubo, dependente do líquido de enchimento). O menisco
formado no mercúrio é para cima, sendo sua leitura realizada também na parte
superior do menisco, já a água destilada tem seu menisco para baixo, e sua
leitura é realizada na parte inferior do menisco, conforme figura abaixo.
A formação do menisco é devido ao fenômeno do tubo capilar,
causado pela tensão superficial do líquido e pela relação entre adesão (colar,
grudar) líquido e sólido, e da coesão (força de atração entre átomos e
moléculas que constituem um corpo, e que resiste a que este se quebre) do
líquido.
Em líquidos que molham o sólido, como o caso da água
destilada, a adesão é maior que a coesão, sendo assim sua tensão superficial
obriga o líquido a subir dentro de um pequeno tubo vertical. Os líquidos que
não molham o sólido, como o mercúrio, a tensão superficial obrigado o líquido a
baixar dentro do pequeno tubo.
Como a tensão superficial dentro do tubo não tem relação com
a pressão, precisa-se de uma compensação.
O valor de compensação em relação ao diâmetro interno do
tubo (φ) é de aproximadamente:
Para mercúrio, somar 14/φ no valor da leitura;
Para água destilada, somar 30/φ no valor da leitura.
O diâmetro interno (φ) é normalmente utilizada nas faixas de
6 a 10 mm.
Em alguns casos não é preciso adicionar essa compensação,
quando é medida a posição do menisco em pressão zero e é medida a altura da
mudança do menisco quando aplicada a pressão.
A menor leitura para manômetros de líquido de uso geral é de
1 mm, e os padrões de 0,1 mm.
A influência da temperatura
Como descrito no artigo Medição de pressão, o peso
específico (e a massa específica também) é dependente da temperatura, sendo
assim a temperatura ambiente influenciará a leitura, portanto, sua variação,
caso ocorra, deve ser compensada, isso também vale para a escala (devido a dilatação).
A temperatura de referência de calibração da coluna deve ser
escrita na escala da pressão, normalmente é de 20°C.
Tipos de elementos de recepção para manômetros de líquidos
Manômetro de coluna “U”
O manômetro de coluna em U é o medidor de pressão mais
simples entre os de baixa pressão.
É constituído por um tubo de material transparente
(geralmente vidro) encurvado em forma de “U” e fixado sobre uma escala
graduada.
A figura abaixo exemplifica algumas possibilidades de
escalas.
A escala com zero central (a) está no mesmo plano horizontal
que a superfície do líquido, quando as pressões P1 e P2
são iguais. Quando aplicada a pressão em um dos lados (lado de alta pressão) o
líquido de enchimento descerá e o outro lado (lado de baixa pressão) subirá, e
sua leitura será realizada somando a quantidade deslocada a partir do zero central
nos dois lados (alta e baixa pressão).
No tipo (b) o ajuste é realizado no lado de alta pressão do
manômetro, nesse tipo é necessário o ajuste de escala a cada mudança de
pressão.
No tipo (c) a leitura é feita a partir do ponto mínimo da
superfície do líquido no lado de alta pressão, subtraída do ponto máximo do
lado de baixa pressão.
A leitura pode ser feita medindo o deslocamento do lado de
baixa pressão partindo do mesmo nível do lado de alta pressão, tomando como
referência o zero da escala.
Manômetro de coluna reta vertical
A aplicação é igual à do manômetro de coluna em “U”. Esse
manômetro tem as áreas de tomada de pressão alta e baixa diferentes, sendo a
que a tomada de pressão alta é aplicada na maior área.
Essa pressão aplicada no ramo de maior área provoca um
pequeno deslocamento do líquido, dessa tomada, fazendo com que o deslocamento
no outro ramo seja bem maior, devido o volume deslocado ser o mesmo.
Podemos utilizar a equação manométrica (ver artigo mediçãode pressão) para determinar o valor da pressão, porém devemos somar as alturas.
Como o volume deslocado é o mesmo, teremos:
Resultando em:
Substituindo o h1 na equação manométrica,
teremos:
Na construção Amenor é desprezível em relação a Amaior,
podendo ser mais simplificada ainda, resultado na equação final:
Manômetro de coluna inclinada
Manômetro utilizado para medir pressões muito baixas, da
ordem de 50 mmH2O. Sua construção é realizada inclinando o tubo reto
de menor diâmetro, com isso atingisse boa precisão em função do deslocamento do
líquido, em torno de + 0,02 mmH2O.
O “α” é o ângulo de inclinação.
O volume deslocado é o mesmo, porém agora teremos o ângulo “α”
ficando a equação:
Lembrando que:
Esses são os tipos mais simples de manômetros que existem, é
mais comum encontra-los em laboratórios, ensaios de vazão por diferencial de
pressão entre outras aplicações fora do processo de fabricação, principalmente
por se limitar a baixas pressões e pela sua fragilidade.
