Medição de pressão

SERVIÇO NACIONAL DE APRENDIZAGEM INDUSTRIAL

CENTRO TECNOLÓGICODE ELETROELETRÔNICA“CÉSAR RODRIGUES”

CENATEC

MEDIÇÃO DE PRESSÃO

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Medição de Pressão SENAI-CETEL

2

PREFÁCIO

Este texto se destina a estudantes que lidam diretamente na indústria ou que estão em formaçãona área técnica industrial seja em nível médio ou superior. Ele é bastante básico e suscinto em suaintrodução nos conceitos fundamentais da medição de pressão, tornando-se de boa utilidade comouma referência bibliográfica direta para dúvidas mais práticas.É estabelecida neste texto uma seqüência lógica - e ao mesmo tempo cronológica - da utilizaçãodos medidores de pressão aplicados aos processos industriais. Inicia-se, pois, com a medição depressão através de colunas fluidas, passando à descrição dos manômetros de diafragma e foles,chegando aos transdutores mais utilizados em transmissores industriais que são os strain gauges eas células capacitivas.Após a descrição destes últimos elementos é feita uma pormenorizada análise dos transmissores,fornecendo-se aspectos de funções internas, construção, instalação, manutenção e programação.Para finalização, deixamos alguns anexos que fornecem informações, desenhos e esquemasadicionais que enriquecem alguns dos conteúdos tratados.

Belo Horizonte, 11/01/2000


3

Índice Analítico

1. MEDIÇÃO DE PRESSÃO.......................................................................................................................................... 4

1.1. INTRODUÇÃO.........................................................................................................................................................4

1.2. MEDIÇÃO DE PRESSÃO EM COLUNAS DE LÍQUIDO .............................................................................4

1.2.1. TUBO EM “U”................................................................................................................................................. 51.2.2.MANÔMETRO DE RESERVATÓRIO........................................................................................................... 61.2.3. MANÔMETRO DE RESERVATÓRIO DE TUBO INCLINADO.............................................................. 71.2.4. MANÔMETRO DE ANEL............................................................................................................................... 8

1.3. TUBOS DE BOURDON..........................................................................................................................................8

1.4. MANÔMETRO DE FOLE....................................................................................................................................10

1.5. MANÔMETROS DE DIAFRAGMA .................................................................................................................10

1.6. STRAIN GAUGE....................................................................................................................................................11

1.7. CÉLULA CAPACITIVA .......................................................................................................................................13

1.8. TRANSMISSORES DE PRESSÃO ....................................................................................................................15

1.8.1. INTRODUÇÃO...............................................................................................................................................151.8.2. ASPECTO CONSTRUTIVO.........................................................................................................................151.8.3. INSTALAÇÃO .................................................................................................................................................161.8.4. CONEXÃO ELÉTRICA .................................................................................................................................171.8.5. FUNÇÕES INTERNAS DOS TRANSMISSORES .....................................................................................181.8.6. FUNÇÃO DE TRANSFERÊNCIA DOS TRANSMISSORES...................................................................20

1.9. ACESSÓRIOS ÚTEIS PARA USO EM MEDIÇÃO DE PRESSÃO...........................................................21

1.9.1. ACESSÓRIOS GERAIS .................................................................................................................................211.9.2. VÁLVULAS MANIFOLD..............................................................................................................................24

1.10. ALGUMAS INSTALAÇÕES TÍPICAS DE TRANSMISSORES DE PRESSÃO..................................26

ÍNDICE REMISSIVO....................................................................................................................................................33

BIBLIOGRAFIA.............................................................................................................................................................37


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1. MEDIÇÃO DE PRESSÃO

1.1. INTRODUÇÃO

Como já dito anteriormente, pressão é o efeito de uma força atuando em uma determinadaárea e suas unidades nos sistemas MKS e CGS não são industrialmente utilizadas. As unidadesde pressão mais utilizadas são:

- No sistema Métrico:

(lê-se quilograma-força por centímetro quadrado)

- No sistema Inglês:

(lê-se libra por polegada quadrada ou sjmplesmente psi )

A conversão de uma unidade em outra pode ser feita facilmente se lembrarmos que 1 libra =0,4536 kg. Assim:

E inversamente:

Observe esta última representação. Colocamos kg/cm2 e não kgf/cm2 como havia sido ditoanteriormente. Sim, esta é uma outra forma bastante usual de se representar esta unidade e podeser utilizada. Fatores de conversão entre as demais unidades mais utilizadas encontram-se noanexo 1.

1.2. MEDIÇÃO DE PRESSÃO EM COLUNAS DE LÍQUIDO

Nas medições de pressão, uma das práticas mais comuns é a de se utilizar uma colunalíquida afim de se medir uma determinada pressão. Isto é feito equilibrando-se a pressão a sermedida, com a pressão da coluna líquida. As unidades de pressão mais comumente utilizadas pararepresentação de colunas de líquido são:

Desta forma, se a coluna de fluido for preenchida com água e estiver com um metro dealtura, a indicação pode ser feita em unidades de coluna de água e valerá, neste caso,1000mmH2O.

Uma importante observação a ser feita é que a coluna de fluido depende diretamente dadensidade do fluido – qual é mesmo a equação que nos diz isto? – e esta por sua vez depende da

2cmkgf

psiin

lb ou 2

22207031,0

)54,2(

4536,0

1

11

cmkg

cm

kg

inch

librapsi ===

psicm

kg223,141 2 =

HgcmHgmmHgOHOcmHOmmH ''

2

''

22;;;;;


5

temperatura. Portanto, ao medirmos uma pressão através de coluna líquida e esta exigir precisãodevemos especificar qual é a nossa temperatura de referência e efetuar sua correção caso estadifira da temperatura de trabalho. Deixamos abaixo uma tabela com as variações da densidade domercúrio e da água em função da temperatura de 0 a 40oC:

Temperatura(ºC)

Densidade do Hg(g/cm3)

Densidade doH2O(g/cm3)

0 13,5951 0,999875 13,5827 0,9999910 13,5704 0,9997315 13,5581 0,9991320 13,5458 0,9982325 13,5336 0,9970830 13,5213 0,9956835 13,5091 0,9940640 13,4969 0,99225

Exemplo: Uma coluna de mercúrio indica 200,0 mmHg à temperatura ambiente de 25oC. Qual seriaa altura da coluna a 0oC?Resolução:

Relacionaremos agora, alguns instrumentos que utilizam o princípio da coluna líquida:

1.2.1. TUBO EM “U”

Pode ser usado para medição de:a) Diferenças de pressões, aplicando-as uma a cada extremidade do tubo;b) Pressões Relativas, abrindo-se um dos lados para a atmosfera. As

pressões relativas podem ser positivas ou negativas;c) Pressões Absolutas, deixando um dos lados referenciado ao vácuo.

As leituras no tubo em U são feitas medindo-se a diferença de níveldo líquido nos dois braços, de acordo com a escala graduada no própriotubo.

Na figura abaixo, vemos duas aplicações do tubo em U:Fig.01_Desenho de um tubo em U

mmHgh

h

Ch

mmCh

C

C

hhhghg

o

o

1,199591,13

0,200536,13

0 a altura

0,20025 a altura

0 a mercúrio do densidade

25 a mercúrio do densidade

:onde

2

11

2

2

1

o

2

o

1

22112211

=⋅=ρ

⋅ρ=

===

=ρ=ρ

⋅ρ=⋅ρ⇒⋅⋅ρ=⋅⋅ρ


6

Fig.02_ Aplicações do Tubo em U

1.2.2. MANÔMETRO DE RESERVATÓRIO

Fig.03_Desenho de um manômetro de reservatório

A sua construção e o seu princípio de funcionamento são semelhantes ao do tubo em U.No entanto, uma das colunas do tubo é substituída por um reservatório no qual a pressão a sermedida, ou a pressão maior, é aplicada. A leitura do valor medido é feita somente no tubo demenor diâmetro onde localiza-se a escala de pressão. Esta escala deve passar por um fator decorreção devido ao seguinte fato: quando o nível de líquido sobe na coluna de medição, desce noreservatório e portanto o zero da escala de medição se altera. Sendo assim, analisemos a figuraanterior:Sejam:Hi = coluna indicadahc = deslocamento do zeroA1 = área da colunaA2 = área do reservatório

Considerando os volumes deslocados nos dois lados:

( )

+=⇒⋅+⋅=⇒

⇒⋅=⋅+⋅⇒⋅−=⋅−=⋅=⋅

2

1

2

21

22121

21

1

como

AA

hhA

AhAhh

AhAhAhAhhAh

hhhAhAh

iii

iiii

izzi


7

Portanto, o fator de correção pelo qual devemos multiplicar o valor indicado é:

Geralmente, as escalas já são construídas multiplicadas pelo fator de correção não sendo, poisnecessário, fazer a correção.Exemplo: Num manômetro de reservatório de contendo mercúrio, de cuba retangular de dimensões5 por 10cm e tubo de vidro de 8mm de diâmetro, pergunta-se. Qual o fator de correção e qual é apressão real quando a escala indicar 50mmHg?Resolução:Área da coluna:

Área do reservatório:

Portanto o fator de correção será:

Logo a pressão real quando o valor lido é 50mm é:

1.2.3. MANÔMETRO DE RESERVATÓRIO DE TUBOINCLINADO

Fig.04_Desenho de um manômetro de reservatório de tubo inclinado

O uso e o princípio de funcionamento deste manômetro é também semelhante aosanteriores com a adição do fato de este fornecer uma maior precisão em medidas de baixapressão devido à sua escala inclinada

A quem se interessar é facilmente demonstrável que se usarmos uma escala na verticalpara este tipo de manômetro esta deve ter um fator de correção de

onde:α = ângulo de inclinação do tubo de medição

2

11A

A+

222

13,504 mmrA =⋅π=⋅π=

2

2500010050 mmA =⋅=

01,15000

3,5011

2

1 =+=+=A

Afc

mmhfch i 5,505001,1 =⋅=⋅=

α⋅

+= sen1

2

1

A

Afc


8

1.2.4. MANÔMETRO DE ANEL

Este manômetro também é conhecido como manômetro de torque radial pelo seu princípiode funcionamento. Ele é constituído como mostra a figura 05 de um tubo em forma de anelsegmentado em dois compartimentos onde são injetadas as pressões. Estes dois compartimentostem como meio de separação, um líquido (geralmente mercúrio) colocado na parte inferior do anel.À medida que a diferença de pressão entre as duas câmaras aumenta, o líquido se deslocamudando o centro de gravidade do anel, produzindo desta forma um torque que o faz girar emtorno de seu ponto fixo.

Fig.05_Desenho do manômetro de anel

Em acordo com a figura 05 e com os dados nela colocados, está a equação abaixo quedescreve a relação entre a diferença de pressão entre e a rotação do anel. Esta equação ébastante simples de ser demonstrada bastando para tal fazermos um equilíbrio de forças no anel.Fica a cargo do leitor tal exercício.

De uma forma mais simplificada:

o que nos diz que o ângulo de rotação é proporcional à diferença de pressão aplicada.Este tipo de manômetro pode ser encontrado em faixas que vão desde 5mmH2O até

13mH2O. Em tiragens de caldeiras, por exemplo, este tipo de manômetro é indicado, pois pressõesbem próximas da atmosfera ou até mesmo absolutas, podem ser medidas, dependendo dapressão de referência utilizada.

1.3. TUBOS DE BOURDON

Consistem de tubos de seção elíptica com uma das extremidades fechadas e outra abertapara a tomada de pressão. O formato destes tubos pode ser em forma de “C”, em forma de espiralou helicoidal, como mostra as figura 06. O mais utilizado na indústria é o tubo em forma de C.

θ⋅⋅=− sen12 A

W

D

dpp

θ⋅=− sen12 kpp


9

Fig.06_Tubos de Bourdon tipo C e Espiral

O funcionamento do tubo de Bourdon, independente de seu formato, baseia-se no fato deao aplicarmos pressão na extremidade aberta, a seção transversal do tubo tende a aumentaraproximando-se de uma forma circular. Como a outra extremidade está fechada, o tubo tenta,portanto se “desenrolar” produzindo uma deflexão no ponteiro a ele agregado.

Fig.07_Desenho do Tubo de Bourdon tipo C

O tubo de Bourdon tipo C é o mais utilizado e tem uma faixa de trabalho que varia de 0,5 a7000 kg/cm2. Como o deslocamento do tubo de Bourdon tipo C é relativamente pequeno, ele não éadequado para medição de baixas pressões. O que já não acontece com os dois outros tipos queapresentam uma maior sensibilidade devido ao formato de cada um deles proporcionar um efeitode soma de vários tubos de Bourdon tipo C, resultando num maior deslocamento da extremidadelivre.

Só como uma referência ao leitor, os elementos geralmente são fabricados de bronze, parapressões entre 0,5 e 50 kg/cm2 e aço comum, aço inoxidável ou monel para pressões até7000kg/cm2


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1.4. MANÔMETRO DE FOLE

A pressão exercida pelo fluido na entrada deste instrumento, atua sobre um fole com umaforça que vale o produto desta pressão pela área do fole. A essa força opõe-se a força elástica damola (fole) que é o produto do coeficiente de elasticidade da mola pelo seu deslocamento. Numaposição de equilíbrio:

E a equação acima nos dá o resultado de que o manômetro mostrado na figura 8 produzum deslocamento proporcional à pressão aplicada. Este deslocamento por sua vez, é levado a umponteiro que indica de acordo com a escala do instrumento, o valor da pressão aplicada nele. Estes manômetros são utilizados em faixas de pressão que variam de 5” H2O a 40 psi

Fig.08_Desenho do Manômetro de Fole

1.5. MANÔMETROS DE DIAFRAGMA

Um diafragma é um elemento flexível de área conhecida que sofre uma deformação – deacordo com a Lei de Hooke – ao aplicarmos uma pressão sobre ele. O movimento do diafragma,ocorrido ao aplicarmos uma pressão contra ele, é transmitido a um eixo ligado ao seu centro. Odeslocamento deste eixo – que é o deslocamento do diafragma – é utilizado direta ouindiretamente para a indicação da pressão medida. O span destes instrumentos podem estar entre0,5 e 120” H2O para o diafragma simples.

Uma outra disposição do diafragma é o tipo cápsula de diafragma – figura 09 - que utilizaum ou mais pares de diafragmas com as bordas soldadas entre si. Para este elemento tipo cápsulade diafragma o span chega a variar entre 20” H2O a 400 psig.

Um tipo extremamente comum de instrumento que utiliza este princípio de funcionamento éo manômetro de escala vertical, mostrado na figura 9.

Fig.09_Desenho do Manômetro tipo Cápsula de Diafragma - de escala vertical

k

ApxkxApFF elásticapressão

⋅=⇒⋅=⋅⇒=


11

1.6. STRAIN GAUGE

O princípio básico de seu funcionamento é o de variação da resistência de um condutor aovariarmos o seu comprimento.

R = resistência do condutor

ρ = resistividade do condutor

l = comprimento do condutor

A = área da seção transversal do condutor

Consiste de um fio fino semicondutor, que é cementado na parede de um material elástico.O diâmetro deste fio é da ordem de menos de 20µm. A figura abaixo mostra uma forma típica demontagem da tira extensiométrica. Estas tiras possuem um resistência básica R - que tipicamenteé padronizada em 120, 350 ou 1000 ohms - que é alterada quando submetemo-la à ação de umatensão mecânica – ou uma pressão.

A variação relativa de resistência ∆R/R, é proporcional à variação relativa do comprimentoε = ∆L/L. Portanto:

O fator de proporcionalidade k depende do material em questão. Para o Constantan quetem boa sensibilidade e linearidade, por exemplo, o fator k = 2. A distensão normal de elementosextensiométricos produz, geralmente variações relativas de resistência da ordem de 10-3. Noentanto, este valor pode ser alterado caso o fio seja feito de semicondutores. O que nos faz ganharpor um lado, no entanto, nos faz perder em linearidade e depender das variações de temperatura –característica dos semicondutores.

Na prática, é muito usado mais de um strain gauge num instrumento. Esse número variaentre 2, 4 ,8 ou mais elementos - só em casos específicos - por célula de medição. Umaaproximação simples com duas tiras nos leva a uma análise simplificada, porém bastante eficaz deseu funcionamento.

Fig.10_Características Gerais e de Instalação de Strain Gauge

:onde

A

lR ρ=

ε=∆

kR

R


12

Entre as inúmeras aplicações de Strain Gauge, encontra-se a medição de massa e pesode recipientes estacionários, medição do peso de veículos, cargas de veículos e recipientes paratransporte, assim como medição de quantidade em silos de armazenamento de grãos e dedeformações de partes mecânicas de máquinas. Em algumas destas aplicações, os strain gaugessão colocados em células chamadas células de medição dinamométricas ou células de carga.Alguns tipos podemos ver na figura 11.

Fig.11_Fotografia de Células de Carga e do posicionamento dos Strain Gauges interiormente

Os circuitos utilizados na recepção e tratamento do sinal de um strain gauge são muitovariados e dependem da concepção de cada fabricante. No entanto a maioria se utiliza de umaponte de Wheatstone para receber o sinal para então passá-lo por um circuito amplificador e assimdar o tratamento necessário – analógico ou digital – para a obtenção do sinal de saídacaracterístico do instrumento como um todo. Um exemplo de circuito típico é mostrado na figura 12

Fig.12_Circuito de Recepção e tratamento do sinal de um Strain Gauge


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1.7. CÉLULA CAPACITIVA

Enquanto, o strain gauge baseia-se na conhecida equação colocada no princípio de suadescrição, a célula capacitiva baseia-se numa outra conhecida equação:

Fig.13_Célula capacitiva da FISHER ROSEMOUNT

A figura 13 nos sugere o seu princípio de funcionamento. A célula capacitiva é formada porum corpo de metal onde encontram-se duas placas fixas em forma de cuia e uma placa flexível, nocentro. Temos portanto a formação de dois capacitores com a placa central sendo pertencente aosdois. Ao aplicarmos pressão entre os dois diafragmas de entrada da célula esta é transmitida àsduas câmaras centrais produzindo uma deflexão na placa central. Desta forma, a placa central seafasta de uma das placas e se aproxima da outra, fazendo com que um dos capacitores aumenteseu valor de capacitância e o outro diminua.

Em termos de seu aspecto construtivo, o material do dielétrico - fluido de preenchimento -que separa os capacitores varia com a pressão que se quer medir, mas geralmente é feito de óleosilicone. A máxima deflexão sofrida pela placa central é de geralmente, no máximo, 0,1mm. Umapequena tabela apresenta algumas variações do material do diafragma e do seu fluido deenchimento.

placas entre Distância

placas das Área

placas entre meio do dielétrica Constante

iaCapacitânc

:onde

==

=ε=

⋅ε=

d

A

C

d

AC


14

Material do diafragma Fluido de EnchimentoAço Inox 316 SST SiliconeAço Inox 316 SST Fluorube

Hastelloy C276 SiliconeHastelloy C276 Fluorube

Monel 400 SiliconeTântalo SiliconeTântalo Fluorube

Especial Especial

Tabela 01_Material do diafragma e fluido de enchimento de células capacitivas da SMAR

Com relação à sua linearidade, a célula capacitiva nada tem a desejar em relação a outrosmedidores de pressão. Podemos ver através do seguinte desenvolvimento:

Fig.14_Desenho da Célula capacitiva da SMAR

De acordo com a figura anterior:

Vemos portanto, que as variações relativas de capacitância são proporcionais à variaçãodo deslocamento da placa intermediária e como este deslocamento é linear com a pressão – Porque? – fechamos a linearidade da capacitância de saída com a pressão de entrada.

( ) ( )

( ) ( )( ) ( )

( ) ( )[ ]( ) ( )

( ) ( )( ) ( )

dd

dd

dddd

dd

dddd

ddA

ddA

ddA

ddA

CCCC

CCCC

ddA

Cedd

AC

HL

HL

HL

HL

LH

∆=

∆−

∆−+∆+

∆−

∆−−∆+

=

∆+⋅ε+

∆−⋅ε

∆+⋅ε−

∆−⋅ε

=+−

+−

∆−⋅ε=

∆+⋅ε=

2

2

22

2

22

22

22

teremos

:expressão a rmosdesenvolve Se

22

22

22


15

1.8. TRANSMISSORES DE PRESSÃO

1.8.1. INTRODUÇÃO

Estes são sem dúvida, hoje, os instrumentos mais utilizados como elementos secundáriosem qualquer processo industrial que envolva medições não só de pressão, mas também de nível,vazão e até temperatura. Mas o que é um elemento secundário? Fica mais fácil ao leitor sereportarmos ao fato de que um elemento primário é necessariamente um transdutor, e portantotransforma um tipo de sinal em outro afim de ser processado. Ora, um elemento secundário,portanto, é aquele que capta o sinal do elemento primário, o processa e o leva àquele elementoque irá efetivamente fazer o controle. O elemento secundário tem, desta forma a função detransmitir o sinal da variável medida, de uma forma padronizada e geralmente através de sinaiselétricos ou pneumáticos, para um controlador e/ou registradores, indicadores, etc. Ostransmissores de pressão são, assim, elementos secundários que recebem sinal de algum sensorde pressão, inclusive os vistos até aqui.

Há alguns anos – isto para não dizer muitos anos – os transmissores eram todospneumáticos ou seja recebiam o sinal de pressão de entrada de 0 a 100% e transmitiam um sinalde saída que era – e ainda o é – padronizado em 3 a 15 psi. Hoje, os transmissores eletrônicosdominam o mercado. A diferença é óbvia em termos de recursos de processamento do sinal davariável de processo bem como de transmissão do seu sinal de saída que pode ser o famosotambém padronizado 4 a 20 mA, ou sinal digital (Fieldbus).

1.8.2. ASPECTO CONSTRUTIVO

O aspecto construtivo de um transmissor de pressão, independente do fabricante, pode serbem encaixado no seguinte diagrama de blocos

Fig.15_Diagrama de Blocos de um transmissor de Pressão


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De uma forma real, os componente vistos no diagrama de blocos acima podem servisualizados nas figuras abaixo que mostram um transmissor como um todo e de suas partesinternas em vista explodida:

Fig.16_Desenho completo e em vista explodida de um transmissor

Em relação ao seu aspecto construtivo, um transmissor de pressão diferencial variará emrelação a um transmissor de pressão absoluta somente pela tomada de pressão, devido àscaracterísticas do sensor que se encontra internamente, como pôde ser acompanhado na figuraanterior.

1.8.3. INSTALAÇÃOGeralmente os transmissores já vêm de seu fabricante com placas de montagem

adequadas à sua instalação. Mesmo assim algumas recomendações são importantes no quetangem à correta posição de medição de alguns fluidos. As figuras e a tabela a seguir deixam istobem claro.

Medição de Gás Medição de Líquidos Medição de Vapor

Fig.17_ Desenho da montagem correta do transmissor em função do fluido


17

Fluido doProcesso

Localização dasTomadas

Localização doTransmissor

Gás Superior ouLateral

Acima

Líquido Lateral Abaixo ou nomesmo nível

Vapor Lateral Abaixo, usando-secâmara de

condensação

Tabela 02_Localização das tomadas de pressão

1.8.4. CONEXÃO ELÉTRICA

Em relação à transmissão de seu sinal, um transmissor pode fazê-la de duas formas:

a) Transmissão a Dois FiosNeste tipo de ligação, pelo mesmo par de cabos que onde é levada a alimentação ao

transmissor – vale lembrar que este par de cabos pode estar trazendo a alimentação de uma longadistância – circula a corrente de 4 a 20 mA proporcional ao sinal de pressão nele aplicado. Otransmissor funciona, a grosso modo, como se fosse uma impedância variável em função dapressão aplicada. A alimentação deste tipo de transmissor é geralmente 24Vdc, mas pode naprática variar de 10 a 32 Vdc, mantendo estável a corrente de saída. A figura 18 mostra aalimentação e a transmissão de sinal de apenas um transmissor, alimentado pelo própriocontrolador, que recebe sua corrente de 4 a 20mA. Já a figura 19, mostra vários transmissoresconectados a uma única fonte de painel. Mostra também como é feita cada transmissão do sinalem corrente desde o transmissor, passando pelo controlador, até retornar para a fonte .

Fig.18_Esquema da alimentação de um único transmissor

Fig.19_Esquema da Alimentação de Vários Transmissores na configuração multi-drop


18

Os transmissores, quando possuem o algoritmo PID incorporado internamente, podemfuncionar com ambivalência dentro de uma malha de controle, exercendo as funções tanto detransmissor quanto de controlador. Neste caso, todos os ajustes das variáveis internas de umcontrolador, como ganho, tempo de integral, tempo de derivada, Bias, Ação Auto-manual, Set-pointLocal ou remoto bem como o valor do set-point, são ajustados remotamente via programador,através do protocolo HART, ou localmente, no próprio transmissor. Quando isto acontece, a ligaçãodo transmissor na malha de controle de ser de rtal forma que sua corrente de saída (MV) atuediretamente na válvula ou no elemento final de controle do processo, como mostrado na figuraabaixo:

Fig.20_Ligação de um transmissor-controlador numa malha de controle

b) Transmissão a Quatro FiosNeste configuração, o transmissor não é alimentado com o mesmo par de cabos por onde

circula a corrente de 4 a 20 mA. Um par de cabos é responsável apenas por levar a alimentaçãoda fonte até o transmissor e o outro par é responsável apenas pela circulação da corrente de 4 a20 mA. Neste caso, a alimentação do transmissor não necessariamente deve ser de 24 Vdc,podendo ter outros valores quaisquer, desde que estejam dentro das tensões industrialmentedistribuídas para áreas de produção.

1.8.5. FUNÇÕES INTERNAS DOS TRANSMISSORES

Os transmissores eletrônicos, cujo processamento interno é analógico limitam-se a terapenas as suas funções básicas, que são:a) Ajuste de Zero: Corresponde ao ajuste do valor de pressão da entrada capaz de produzir uma

corrente de 4mA na saída. É dividido em um ajuste grosso e um ajuste fino;b) Ajuste de Span: Corresponde ao ajuste do valor de pressão da entrada capaz de produzir uma

amplitude de faixa de 16mA na saída. Em termos gerais e práticos, no local do ajuste de spané que fazemos com que a saída do transmissor fique em 20mA quando a pressão máxima dafaixa medida for aplicada à sua entrada. É dividido em um ajuste grosso e um ajuste fino.

c) Supressão de Zero: Corresponde a uma mudança feita internamente no transmissor afim dedeslocar o valor do zero de pressão de sua entrada para um valor negativo de pressão relativa.

d) Elevação de Zero: Corresponde a uma mudança interna feita no transmissor afim de deslocaro valor do zero de pressão de sua entrada para um valor positivo de pressão relativa.

e) Damper ou Filtro: Consiste de um ajuste da constante de tempo de resposta do transmissorpara sua variação na saída, em relação a uma variação na entrada.

Devemos ressaltar que os tópicos c e d serão novamente abordados na ocasião oportunaquando falarmos sobre medição de nível. Em relação ao item e, é conveniente ressaltar que umpequeno valor de constante de tempo de filtro é conveniente para o transmissor afim de amenizarruídos e surtos indesejáveis em sua entrada, não repassando-os completamente para a sua saída.No entanto, cabe-nos o bom senso de admitirmos que o filtro é uma máscara para a variável de


19

processo, pois o sinal de saída do transmissor não mais responderá fielmente às variações davariável medida.

Os transmissores digitais entretanto, por sua enorme flexibilidade em termos deprocessamento e o sem número de informações plausíveis de serem armazenadas/processadas,possuem outras inúmeras funções dentre as quais podemos citar:a) Identificação do transmissor e dados de especificação;b) Mudança remota da calibração sem usar fonte de pressão de referência;c) Funções de Transferência para Vazão (raiz quadrada, raiz quadrada do cubo, etc);d) Função de Linearização de curva de entrada de acordo com pontos específicos configurados;e) Ajuste de corrente constante de 3,9 a 21mA para teste da malha;f) Monitoração de todas as variáveis do transmissor: PV, SP, PV%, SP%, MV%, saída, erro,

temperatura do sensor, totalização, etc;g) Inclusão de algoritmo de controle PID interno. Não é encontrado em todos os fabricantes, mas

somente em alguns modelos;h) Diagnóstico e determinação de falhas no processo ou no programador;

O item b nos leva a comentar sobre um protocolo de comunicação remota chamado protocoloHART (Highway Adressable Remote Transducer). Este é um protocolo digital de comunicação queé modulado por sobre o sinal de transmissão analógico de 4 a 20mA. A taxa de transmissão desteprotocolo é de 1,2 kbps e usando-o, um instrumento pode ser acessado remotamente de qualquerparte do par de cabos de sinal para ser consultado, reprogramado ou reparado. Este acessoremoto ao transmissor é mostrado nas figuras 18 e 19 acima.

Existe uma fundação mundial que é a HART Foundation, responsável pela certificação deconformidade ou não dos instrumentos de mercado nesta forma de comunicação. Os instrumentosutilizados para acesso remoto a transmissores e outros instrumentos que fazem o uso do protocoloHART são geralmente chamados programadores ou Hand-Helds. Também alguns fabricanteselaboraram softwares e hardwares para uso em PC afim de fazerem acesso a instrumentos atravésdo HART. Um exemplo disto é mostrado na figura 21.

Fig.19_Um programador e seus packs

Uma outra importante característica dos transmissores digitais reside no fato de sua altarangeabilidade. A rangeabilidade, anteriormente citada, é a razão entre os valores máximo emínimo de alcance da faixa de um instrumento. No caso de um transmissor analógico, porexemplo, a rangeabilidade não passava de 10:1, ou seja: se o máximo alcance de faixa dotransmissor era 5000 mmH2O então o valor da faixa deste era necessariamente maior que ou iguala 500 mmH2O. Nos transmissores digitais é feito um tabelamento de toda a faixa útil do sensor e


20

uma prévia linearização deste, antes mesmo do seu processamento. Desta forma consegue-seaproveitar melhor a unidade sensora aumentando-se assim a rangeabilidade do instrumento, quechega a 60:1. Só para fazermos uma comparação, para a mesma faixa máxima do instrumentousado no exemplo anterior, o alcance mínimo seria de 83 mmH2O.

1.8.6. FUNÇÃO DE TRANSFERÊNCIA DOS TRANSMISSORES

A faixa de entrada de um transmissor é sempre (ou quase sempre conhecida). A faixa desaída de um transmissor é igualmente conhecida e padronizada: 4 a 20mA. É comum traçarmosuma curva característica da calibração do transmissor ao qual chamamos, erroneamente, naindústria de função de transferência, haja vista esta tem um conceito muito mais abrangente que oali aplicado. Façamos um exemplo particular de um instrumento para posteriormentegeneralizarmos.Exemplo: Seja um instrumento com faixa de pressão de entrada de 0 a 2 kgf/cm2 . Pede-se afunção de transferência e sua curva.Resolução:

Fig.22_Desenho da Curva pressão por corrente do exemplo

A função de transferência será a equação da reta acima. Logo:

Esta última equação nos fornece não só a curva teórica de linearidade do instrumento,como também o valor da corrente para qualquer pressão aplicada e vice-versa, o que em muitonos ajuda no trabalho do dia-a-dia com o equipamento em questão.

( ) ( )

( ) ( )mApIpI

mmmpI

m

pmIxxmyy

48084

:Portanto

82

16

02

420 mas

0400

+⋅=⇒−=−

=⇒=⇒−−=⇒

∆∆=

−=−⇒−=−


21

Caso queiramos generalizar esta curva para qualquer transmissor cuja saída é em 4 a 20mA, parauma faixa de pressão genérica.

Fig.23_Desenho da Curva pressão por corrente genérica

1.7. ACESSÓRIOS ÚTEIS PARA USO EM MEDIÇÃO DE PRESSÃO

1.7.1. ACESSÓRIOS GERAIS

Existem diversas situações que podem criar a necessidade do uso de acessórios emtomadas de impulso para medição de pressão. Para citar apenas algumas delas:a) Pressões sujeitas a oscilações rápidas (descarga de bombas e compressores);b) Fluidos a alta temperatura, que podem danificar o material do elemento de medição;c) Fluidos viscosos que podem entupir as tubulações;d) Fluidos corrosivos, com possibilidade de danificar o elemento de medição;e) Fluidos sanitários (produtos alimentícios e farmacêuticos), que podem alojar-se em

concavidades, possibilitando a formação de cultura de bactérias;

Também o caso de ruídos eletromagnéticos inconvenientes, pode ser agravante paradeteriorar o sinal de processo e, neste caso, um supressor comum de ruídos pode e deve serutilizado. Tal supressor é mostrado na figura 24 abaixo.

( ) ( )

( ) ( )

( )mApp

pp

I

ppp

Ippp

I

pm

pm

p

Im

ppmIxxmyy

+⋅

∆−⋅

∆=⇒

⇒+−∆

=⇒−∆

=−

∆=⇒

∆−

=⇒∆∆

=

−=−⇒−=−

41616

41616

4

:Portanto

16420 mas

4

0

00

000


22

Fig. 24_ Supressor de ruído acoplado a um transmissor

Quando o fluido a ter sua pressão medida estiver em alta temperatura, ou particularmentefor vapor, é conveniente o uso de um sifão, construído até mesmo com a própria tubulação,permitindo a condensação no percurso desta volta, e impedindo que o fluido tenha contato diretocom o instrumento.

No caso em que os fluidos forem viscosos, corrosivos ou sanitários, usa-se com bastantecritério um tipo de selo. O selo é um artifício utilizado para isolar o instrumento do fluido demedição, permitindo apenas que a pressão deste possa ser medida.

O uso de potes de selagem é bastante comum para efetuar este tipo de isolamento. Ospotes de selagem são reservatórios colocados entre o processo e o elemento medidor, isolando-osatravés da diferença de densidade existente entre os líquidos do processo e do selo. A pressãoexercida pelo líquido do processo será transmitida ao líquido de enchimento do selo – que énecessariamente mais denso – e este a levará até a célula de medição.

Fig.25_Um pote de selagem usando somente diferença de densidade entre os fluidos

Não limitado ao uso somente com líquidos é o selo de diafragma que, como o próprionome diz e a figura 26 mostra, possui uma cápsula de diafragma separando a conexão aoprocesso da conexão ao medidor. As partes em contato com o processo, incluindo o diafragmapodem ser feitos com materiais bastante resistentes. Inclui-se neste tipo de pote de selagem uma


23

conexão para enchimento com o fluido adequado e um outra conexão para limpeza localizadas nolado do medidor e do processo, respectivamente.

Fig.26_Pote de selagem com cápsula de diafragma

O líquido de enchimento utilizado geralmente é glicerina, silicone ou mercúrio e para altastemperaturas, uma mistura de sódio e potássio. No entanto, outras tecnologias mais novas vãofazendo surgir diferentes tipos de fluidos de enchimento que variam para cada fabricante. Veremosuma boa aplicação de potes de selagem, na seção sobre medição de nível.

No entanto, a tecnologia que hoje está mais em voga no que tange à selagem de sistemasde medição de pressão - ou nível ou vazão - é a dos selos remotos. Um Sistema de Selo deDiafragma Remoto consiste em um sistema de medição, mais um selo de diafragma remoto, umfluido de preenchimento e um conduíte ou capilar, caso este seja necessário. Durante a operaçãono processo, o sistema de preenchimento formado pelo conduíte mais o fluido isolam o sistema demedição do fluido de processo. Os sistemas de selagem remotos são influenciados pelatemperatura, mas estes não afetam criticamente o resultado final da medida realizada.

Os materiais mais comuns de que são feitos os diafragmas são Aço Inox 316 SST,Hastelloy C-276 e Tântalo. Já os fluidos de preenchimeto destes diafragmas variam com astemperaturas de trabalho, estando no entanto, enquadrados na tabela a seguir:

Fluido dePreenchimento

Limites deTemperatura

Peso Específico

Syltherm XLT -73 a 149 ºC 0,85D.C. 704 15 a 315 ºC 1,07D.C. 200 -45 a 205ºC 0,93

Glicerina e Água -17 a 93 ºC 1,13Inerte

(Halocarbono)-45 a 177ºC 1,85

Neobee M20 -17 a 205ºC 0,90Propileno-Glicol e

Água-17 a 93ºC 1,02

Os capilares ou conduítes são em sua maioria feitos de 3 camadas: uma contendo umaarmação tubular de aço carbono 316 SST, outra contendo uma cobertura em PVC, uma terceiracontendo outra cobertura metálica espiralada feita de aço 316 e por fim - opcionalmete - podehaver uma capa metálica ainda mais resistente por fora. A figura a seguir detalha melhor estescapilares:


24

Fig.27_Detalhe da Construção dos Capilares

Os flanges que suportam os diafragmas, podem ser de vários formatos dependendo do tipode medição, do tipo de fluido, da temperatura do processo e principalmente da faixa de pressão aser medida. Existem várias configurações possíveis para um sistema de selo de diafragma remoto.Várias ou as mais comuns são apresentadas no anexo 3.

1.7.2. VÁLVULAS MANIFOLD

As válvulas manifolds, também chamadas válvulas equalizadoras, são elementosinstalados nas tomadas de impulso de medidores de pressão diferencial afim de promoversegurança ao instrumento, ao operador e ao processo, numa situação de manutenção oureposição.

É constituído por um bloco contendo 3 ou 5 válvulas,com finalidades específicas e correspondentes ao seuposicionamento dentro das tomadas de impulso. As figura 28,29 e 30 mostram a disposição de cada válvula constante destebloco – para manifolds com 3 e 5 válvulas – nas tomadas deimpulso.

Fig.28_ Transmissor montado em um manifold integralcoplanar

Atualmente temos encontrado disponível em algunsfabricantes, os manifolds integrais, que são válvulas manifold, diretamente acopladas aotransmissor ocasionando por conseqüência uma redução na engenharia do produto e do processoe dos custos inerentes à instalação de uma válvula separada.


25

Fig.29_Manifold Integral de 5 válvulas Fig.30_Manifold Integral de 3 válvulas

Ensaiemos por exemplo a substituição de um transmissor de pressão diferencial eenunciemos os passos a serem realizados:1) Abre-se a válvula equalizadora afim de zerar a diferença de pressão entre as duas câmaras do

medidor;2) Fecha-se as duas válvulas isoladoras afim de desconectar o medidor do processo;3) Abre-se as válvulas de dreno, se houver, afim de escoar o resíduo de fluido de processo

retidos na parte isolada da tomada de impulso – entre medidor e manifold - e esvaziar acâmara de medição do instrumento;

4) Retira-se o instrumento;5) Coloca-se o novo instrumento;6) Fecha-se as linhas de dreno;7) Abre-se as válvulas isoladoras permitindo que o fluido de processo entre em contato com a

câmara de medição;8) Fecha-se a válvula equalizadora afim de retomar a pressão diferencial entre as tomada de

impulso disponibilizando-a ao medidor.

Podemos também através do passo 1 identificar uma outra função da válvula manifold queé a de zerar a pressão diferencial no medidor, quando da abertura da válvula equalizadora,permitindo assim um rápido ajuste de zero no mesmo.

Na ocasião da Medição de Vazão iremos falar com mais propriedade das placas de orifício.No entanto, já que vimos os manifolds integrais é adequado dizermos que também a placa deorifício pode vir integrada a um transmissor e neste caso, chamamos o conjunto de transmissorcom orifício integral. Sua montagem típica é como mostrada na figura 31 abaixo:


26

Fig.31_ Orifício integral separadamente e montado em um transmissor para medição de vazão

1.8. ALGUMAS INSTALAÇÕES TÍPICAS DE TRANSMISSORES DEPRESSÃO

A boa qualidade da medição de pressão não passa somente pela escolha de uminstrumento caro vindo de um fabricante idôneo, mas também por uma programação adequadapara o que se deseja medir e em que condições esta medição é feita. No entanto, um outro fatorde importantíssima influência na qualidade final da medição de pressão é a forma com que omedidor foi instalado. Como os transmissores são o meio mais utilizado para este tipo de medição,indicamos como referência aos interessados a bibliografia [2].

Mediç

ão d

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ress

ão

S

EN

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L

26

TA

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ÃO

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IZA

DA

S


27

TIPOS DE MONTAGENS DE SELOS REMOTOS


28


29

ALGUNS TIPOS DE TOMADAS DE TRANSMISSORES


30

TIPOS DE CONFIGURAÇÃO DE STRAIN GAUGES


31


32


33

ASPECTOS SOBRE CALIBRAÇÃO

Cada vez mais é exigido para a garantia da qualidade dos produtos de uma empresa osdiplomas de certificação na série de normas ISO 9000. Esta é a garantia de qualidade que umaempresa pode oferecer de seus produtos. No que tange especificamente à área de medição - dequaisquer grandezas - existe um organismo regulador nacional que dá a sua certificação a respeitoda qualidade de uma sistema de calibração e ensaios de uma empresa. Este organismo nacional éo INMETRO e a série de normas a ser seguidas é a ISSO/IEC GUIA 25. Esta série de normasestabelece os requisitos necessários para que um sistema de calibração ou ensaios estejainternacionalmente capacitado a executar seus serviços para qualquer lugar do mundo. Odetalhamento de todos os requisitos necessários para a certificação, bem como dos procedimentosadequados à efetivação de uma calibração em um instrumento qualquer de medição, éextremamente relevante no nosso meio, mas foge do escopo desta apostila. Recomendamos aosmais astutos que busquem pela literatura indicada na bibliografia [5]

Devido à grande importância assumida principalmente pela qualidade dos instrumentos aserem utilizados na calibração de instrumentos - particularmente nos de pressão - mostramosabaixo dois calibradores de pressão e sua tabela de dados técnicos como referência ao leitor:

Calibrador de Peso Morto para PressõesDiferenciais

• Faixas de Pressão de até 700 bar;• Exatidão de até 0,01% da leitura;• Operado com água, óleo ou gás;• Reproduz as condições de pressão sob asquais o transmissor irá trabalhar

Calibrador de Pressão Hidráulico Digital combomba integral manual

• Faixas de Pressão de até 700 bar;• Precisão de até 0,025% do fundo deescala;• Gerador de Pressão Interno;• Disponibilidade de dados para leitura earmazenamento via RS 232;• 25 unidades de pressão, e volts e mA;• Modelo operado com


34

Calibrador/Controlador de Pressão de Precisão

• Faixas de Pressão de até 210 bar;• Precisão de Fundo de Escala de até 0,01%;• Estabilidade de 0,001% do Span;• Interface amigável;• Controle rápido;• Comunicação RS 232 and IEEE 488.2;• Opção de Faixa dual;• Opção de Referência Barométrica;• Rotina de Testes Programável;• Multilíngue.


35

ÍNDICE REMISSIVO

A

ACESSÓRIOS 20

Aço Inox 316 SST 13

Ajuste de Span 17

Ajuste de Zero 17

alimentação 16

C

calibração 19

câmara de condensação 16

capilar 22

cápsula de diafragma 9

CÉLULA CAPACITIVA 12

células de carga 11

CGS 3

COLUNAS DE LÍQUIDO 3

CONEXÃO ELÉTRICA Consultecurva teórica de linearidade 19

D

Damper 17

diafragma 9

E

elemento primário 14

Elevação de Zero 17

F

fator de correção 5

Filtro 17

Fluorube 13

fole 9

FUNÇÃO DE TRANSFERÊNCIA DOS

TRANSMISSORES 19

G

glicerina 22

H

Hand-Helds 18

HART 18

Hastelloy 13

I

INSTALAÇÃO 15

K

kg/cm 23

kgf/cm 23

L

Lei de Hooke 9

líquido de enchimento 22

M

MANIFOLD 23

manifolds integrais 23, 24

MANÔMETRO DE ANEL 7

MANÔMETRO DE FOLE 9

MANÔMETRO DE RESERVATÓRIO 5

de escala inclinada 5

de escala vertical 5

MANÔMETRO DE RESERVATÓRIO DE TUBO

INCLINADO 6

manômetro de torque radial 7

MANÔMETROS DE DIAFRAGMA 9

Medição de Gás 15

Medição de Líquidos 15

Medição de Vapor 15

mercúrio 22

MKS 3

Monel 13

multi-drop 16

P

ponte de Wheatstone 11

potes de selagem 21

programador 18

psi 3

R

rangeabilidade 18


36

S

selo 21

selo de diafragma 21

Selos Remotos 27

silicone 12

Sistema de Selo de Diafragma Remoto 22

sistema Inglês 3

sistema Métrico 3

STRAIN GAUGE 10

Supressão de Zero 17

supressor 20

T

Tabela de conversão 26

Tântalo 13

tira extensiométrica 10

Tomadas 16

transdutor 14

Transmissão a Dois Fios 16

Transmissão a Quatro Fios 17

TRANSMISSORES 14

transmissores digitais 18

TUBO EM “U” 4

tubo em U 4

Tubos de Bourdonespiral 8

tipo C 8

TUBOS DE BOURDON Consulte

V

válvulas equalizadoras 23


37

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] Delmée, Gérard Jean, 1983, Manual de Medição de Vazão, São Paulo: Edgard Blücher, 1982.

[2] Comprehensive Product Catalog, Rosemount Measurement, Janeiro de 1997, USA.

[3] Kempenich, Geraldo, Curso de Instrumentação para Engenheiros e Técnicos, 1ª, 2ª e 3ª partes,

São Paulo: Siemens S.A, 1975.

[4] Smar, Catálogo LD 301, Sertãozinho - SP, 1997.

[5] ISO/IEC GUIA 25, INMETRO, Rio de Janeiro,1998.

[6] Website da Druck Measurements em www.druck.com

[7] Website da McDaniels Controls em www.mcdanielscontrols.com

[8] Website do Measurement Group em http://www.measurementgroup.com/

[9] Website em www.davidson.com.au

[10] Website em www.armaturenbau.com

[11] Website da SMAR em www.smar.com

[12] Website da Rosemount INC. em www.rosemount.com

Medição de pressão

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