EletroMec On Line

Generalidades e Classificação

manômetro (Gr. manós, pouco denso + métron, medida), s. m. aparelho com que se mede a tensão dos gases e vapores.

diafragma (Lat. diaphragma < Gr, diáphragma, divisão, tabique), s.m. músculo largo que separa o tórax do abdómen; membrana porosa que, de distância em distância, obtura os caules de certas plantas; membrana vibratória em certos aparelhos acústicos; lâmina ou grupo de lâminas cujo movimento combinado faz variar a intensidade da luz que penetra numa lente; designação de várias membranas ou lâminas para interceptar o calor, etc; dispositivo contraceptivo que se adapta perfeitamente sobre o colo do útero evitando a entrada de esperma na cavidade uterina.

É importante não esquecer as definições apresentadas a seguir:

Medição de pressão – É o padrão mais importante de medição; através dele podemos também medir pressão diferencial, fluxo e nível, entre outros.

Pressão – É a relação entre uma força e a superfície sobre a qual ela atua.

A pressão é normalmente medida em relação à pressão atmosférica e é chamada pressão relativa. Pode ser positiva ou negativa. A pressão no vácuo é menor que a pressão atmosférica. A pressão absoluta é igual à soma das pressões atmosférica e relativa.

Existem três categorias de medidores de pressão:

Manômetros em que a medição de pressão se faz por equilíbrio com uma coluna de líquido de densidade conhecida;
Manômetros em que a medição de pressão se faz equilibrando a força produzida sobre uma área conhecida, com uma força mensurável;
Manômetros em que a medição de pressão se faz por equilíbrio da força produzida numa área conhecida com a tensão atuante num meio elástico.

O manômetros de diafragma, pertence a este último conjunto de medidores.

Os manômetros de diafragma têm diversas aplicações, tais como:

Respiradores
Ventiladores
Fornos
Estufas de secagem
Queimadores

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Introdução

Há séculos que se conhecem métodos mecânicos de medição de pressão. Os manômetros de tubo em U, foram os primeiros indicadores de pressão. Originalmente, estes tubos eram feitos de vidro e as escalas eram adicionadas conforme fosse necessário. Mas os manômetros são largos, tornando-se incômodos, e não estão bem ajustados para integração nas cadeias automáticas de controle. No entanto, os manômetros encontram-se usualmente no laboratório, ou são usados como indicadores locais. Dependendo da pressão de referência usada, podem indicar pressões absolutas, atmosféricas e diferenciais.

Frequentemente utilizam-se termos como medidor, sensor, transdutor e transmissor de pressões. O termo medidor de pressão refere-se usualmente a um indicador que converte a pressão detectada, num movimento mecânico de um ponteiro. Um transdutor de pressão pode combinar o elemento primário de um medidor com um conversor mecânico/eléctrico ou mecânico/pneumático e um fornecimento de potência. Um transmissor de pressão é um “pacote” estandardizado de medição de pressão que consiste em três componentes básicos: um transdutor, seu fornecimento de potência e um condicionador/retransmissor de sinal que converte o sinal do transdutor num output estandardizado.

Os transmissores de pressão podem usar sinais pneumáticos (3-15 psig), electrónicos (4-20mA) ou ainda electrónicos digitais.

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Da mecânica à eletrônica

Os primeiros medidores de pressão usavam elementos flexíveis como sensores. Assim que a pressão mudava, o elemento flexível deslocava-se, e este movimento era utilizado para fazer rodar um ponteiro dum mostrador. Nestes sensores mecânicos de pressão, um tubo de Bourdon, um diafragma, detecta a pressão do processo e causa um movimento correspondente.

Figura 1 - Sensores de pressão de diafragma.

Os diafragmas são populares entre os elementos primários e flexíveis de pressão, porque requerem menos espaço e porque o movimento (ou força) que produzem, é suficiente para operar transdutores electrónicos (ver figura 1).
Estão também disponíveis numa larga variedade de materiais para processos corrosivos.

Depois dos anos 20, os sistemas de controle automático evoluíram começando a ser comuns os transmissores de pressão e as salas centralizadas de controle a partir dos anos 50. Por essa razão o diafragma não esteve mais que estar ligado a um ponteiro mas servia para converter a pressão do processo num sinal, elétrico ou pneumático. De início, o acoplamento mecânico era ligado a um transmissor pneumático de pressão, que geralmente gerava um sinal de saída de 3-15 psig para a transmissão entre distâncias de várias centenas de metros. Mais tarde com a evolução da eletrônica do estado contínuo e o aumento das distâncias de transmissão, os transmissores de pressão tornaram-se eletrônicos. Os primeiros sinais de saída foram 10-50mV, 1-5mV e 0-100mV, mas depois passaram estar compreendidos entre 4-20mA.

Princípio de Funcionamento

Os manômetros de diafragma são instrumentos sensíveis, usados em processos de baixa pressão não excedendo os 15 psi. O diafragma é o elemento sensível deste medidor, podendo ser liso, ondulado ou um misto de liso e ondulado (normalmente é ondulado uma vez que assim aumenta o desvio sem reduzir a resistência).

Quando ar, gás ou líquido entram no sistema, uma pressão vai ser aplicada ao diafragma provocado a sua deformação. Esta é transmitida a um ponteiro do instrumento indicador, permitindo-nos saber então qual é a pressão do sistema.

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Construção e Materiais

CONSTRUÇÃO

O manômetro de diafragma tem como principais constituintes um diafragma, uma base, uma peça chamada "movement", uma caixa, um visor, um ponteiro e um mostrador.

Usualmente o metal é aquecido antes de modelar para produzir um limite elástico máximo. Depois de modelar, os diafragmas são aquecidos para libertar pressões e depois são quimicamente limpos.

MATERIAIS

A título de exemplo, apresentam-se os materiais de construção de um manômetro muito vendido da Marsh:

Diafragma: bronze fosforizado;
Base: bronze;
"Movement": policarbonato e bronze;
Caixa: aço resistente à oxidação, terminado com esmalte preto cozido;
Visor: lente de polímero acrílico;
Ponteiro:alumínio pintado de preto;
Mostrador: Alumínio revestido de branco com escalas pretas.

Para outros fabricantes, os materiais utilizados poderão ser diferentes - consultando as suas páginas poderá constatar isso mesmo.

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Gama de Medida

Este tipo de medidor é utilizado muitas vezes para a medição de baixas pressões, mas nem sempre isso se verifica. Dá-se aqui um exemplo para um medidor específico de um determinado fabricante:

Tabela 1 – Gama de medida estabelecida pela Wika para um dos seus instrumentos.

(*) - Estes valores referem-se a um medidor cujo rebordo tem 160 mm de diâmetro. Se o diâmetro for diferente, a gama de medida não será a mesma.

Para outros fabricantes poderá encontrar gamas de medida para os seus medidores.

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Características Estáticas

Convém relembrar alguns conceitos: a exatidão é a concordância entre o valor obtido e o valor verdadeiro. Pode vir em erro absoluto, erro relativo ou percentagem de fsd. A repetibilidade representa a proximidade dos valores obtidos para um dado grupo de medições do mesmo sinal de entrada, quando se utilizam as mesmas condições de operação e equipamentos. A sensibilidade é a variação do output em relação à variação do input. A linearidade é a relação linear entre o output e o input correspondente.

A VRC apresenta os seguintes valores:

Exatidão: 1% de leitura ou 2 Torr

Linearidade: ± 0,15% fsd

Sensibilidade: ± 1 Torr

Repetibilidade: ± 2 Torr

Outros valores são encontrados quando o fabricante é diferente.

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Circuito de Medida

1) MEDIÇÃO COM EXTENSÔMETROS

Para medir a deformação do disco utilizando extensômetros, temos que ter em conta a distribuição de tensões (tangencial e radial).

Os extensômetros da zona exterior destinam-se a medir tensão radial e os interiores a medir tensão tangencial. Eles estão ligados em ponte de Wheastone, sendo os exteriores os dos ramos R1 e R3 e os interiores os dos ramos R2 e R4. Quando temos quatro extensómetros activos, a sensibilidade da ponte de Wheastone é aumentada e o efeito da temperatura sobre os extensômetros cancelado.

A relação entre a tensão de saída e a pressão é linear com erro inferior a 0,3% desde que a deformação do disco na zona central seja inferior a ¼ da espessura da membrana.

A frequência máxima que é possível medir com este manómetro depende da frequência de ressonância dos elementos mecânicos, havendo sensores capazes de funcionar desde 0 até 10 kHz.

2) MEDIÇÃO POR VARIAÇÃO DE CAPACIDADE

Este método consiste em formar um condensador com uma das armaduras ligadas à membrana. A deformação que ocorre na membrana provoca uma variação na capacidade do condensador, que é depois transformada numa variação de um sinal elétrico (tensão ou corrente).

3) MEDIÇÃO POR UM MÉTODO PIEZORESISTIVO

O diafragma é revestido por um material piezoresistivo. Este tem uma resistência que varia consoante a tensão mecânica a que se encontra submetido. Os materiais piezoresistivos são feitos de material semicondutor extrínseco, isto é, ao qual se adicionam impurezas de determinado tipo para se obterem materiais de tipo diferente. O valor da resistividade do material pode ser ajustado controlando a concentração de impurezas adicionadas. Obtêm-se assim resistividades da ordem de 500mWm, iste é, cerca de 30000 vezes superiores à resistividade do cobre, o que permite realizar sensores miniaturizados.

O material semicondutor é depositado por estampagem sobre o diafragma, e nele são implantadas as resistências cujo valor e variação se pretende medir, para determinar então a deformação do diafragma e a consequente pressão que sobre este se encontra aplicada. É semelhante ao princípio que utiliza extensómetros mas a sensibilidade é muito superior.

4) MEDIÇÃO COM BALANÇO DE FORÇAS

Neste método não se mede a deformação do diafragma e relaciona-se depois com a pressão, mas sim impede-se que o diafragma se deforme, aplicando uma força contrária. Esta força é directamente gerada por meio da corrente de saída do transmissor (4 a 20 mA) e o seu valor é tal que equilibra a força devido à pressão, impedindo a deformação da membrana.

Este tipo de circuito é linear, uma vez que a força de reação é proporcional à corrente elétrica do transmissor.

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Calibração

Na calibração de qualquer manómetro temos que ter em conta três factores:

          a) zero
          b) multiplicação ou faixa
          c) angularidade

Por vezes pode ser necessário fazer um ajuste de um deles.

O ajuste do zero não influi nos outros ajustes.

Figura 2 – Factores a ter em conta na calibração: (a) zero, (b) multiplicação, (c) angularidade

O ajuste do zero do manômetro faz-se colocando o ponteiro no valor mínimo da escala com o diafragma em estado de repouso. Como podemos pela figura 2 (a) a diferença entre o valor real e a indicação é igual para toda a faixa.

A multiplicação ou faixa pode-se definir da seguinte forma: razão dos movimentos do elemento e da pena (ver figura 2 (b) ).

Angularidade é o deslocamento desigual da pena para a mesma quantidade de incremento da variável medida nas diferentes regiões da escala. O seu ajuste faz-se variando o comprimento do braço. (ver figura 2 (c) ).

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Seleção

Existem diferentes medidores uma vez que nem sempre as condições de um determinado processo são as mesmas. Por isso temos que saber como escolher um determinado medidor.

Esta seleção é diferente de fabricante para fabricante.

A seleção é feita da seguinte maneira:

          · tamanho do mostrador
          · tamanho da caixa
          · material do tubo e base
          · tamanho da ligação
          · localização da ligação
          · características opcionais
          · gama de medida da pressão

Para os outros fabricantes, podemos mais uma vez recorrer às suas páginas.

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Instalação e Manutenção

INSTALAÇÃO

Sempre que for possível, os manômetros devem-se localizar num local onde se minimizem os efeitos de vibração, ambientes com temperaturas extremas e a humidade. Os locais preferidos são os secos, longe de fontes térmicas muito grandes (fornos por exemplo).

Se o nível de vibração mecânico é extremo, o medidor deve ser remotamente localizado (usualmente numa parede) e ligado à fonte de pressão através de tubulação flexível.

O medidor deve ser montado ao nível dos olhos do utilizador, e se assim não for possível abaixo desse nível.

Para evitar uma contaminar o sistema de medição de pressão no medidor, deve-se deixar uma capa de protecção sobre a montagem de ligação até à linha de ligação ser efetuada.

Recomenda-se que os medidores não sejam indiscriminadamente deslocados de uma aplicação para outra. Considerando que o número de ciclos de pressão num medidor em funcionamento ou previamente usado é geralmente desconhecido, é normalmente seguro instalar um novo medidor quando e onde for possível. Isto minimizará a possibilidade de uma reacção com com o aparelho anterior.

Deve-se instalar uma válvula entre o medidor e o processo que está a decorrer, para se ser capaz de isolar o medidor para inspeção ou substituição sem ser necessário paralisar o processo .

MANUTENÇÃO

A frequência de inspeção a que um medidor deve se sujeitar é muito subjetiva e depende da dureza do serviço e do quão crítica é a exatidão da pressão indicada. Acontecem inspeções mensais quando os serviços são crítico/severos e inspeções anuais ou menos frequentes acontecem em mecanismos não críticos.

Se a exatidão não pode ser verificada no local, pode-se pelo menos procurar:

- movimentos fortuitos ou irregulares do ponteiro;
- leituras suspeitas.

Obviamente qualquer movimento suspeito do ponteiro do medidor, indica que uma supervisão da exatidão deve ser feita. Mesmo que o medidor não mostre qualquer comportamento anormal, o utilizador pode querer estabelecer uma frequência de supervisão.

A recalibração de um medidor depende do quão crítico é o mecanismo. Se a exatidão de um mecanismo 3-2.3% é só 0.5%, o utilizador deve decidir se vale ou não a pena o sacrifício e gastar tempo para trazer o medidor de volta para a sua especificação. Se a exatidão de um medidor é 0.25% e descobre-se que está 0.1% fora de especificação, obviamente o medidor deve ser recalibrado.

Outras considerações:

- ponteiros tortos ou soltos levam a extremas trepidações de pressão
- janelas partidas devem ser substituídas para manter longe a sujidade.
- estragos – entalhes e ou rachas
- descoloração no medidor impeditiva de realizar leituras.

Como regra geral é recomendado que o utilizador tenha um instrumento completo para cada dez desse tipo de instrumento em funcionamento.

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Resumo das Vantagens e Desvantagens

Resumidamente e para finalizar, pode-se dizer, sobre este medidor, que as suas principais vantagens e desvantagens são:

Vantagens

          · feito com grande resistência à corrosão
          · tolera formação de cristais
          · o elemento sensível (diafragma) tem grande duração

Desvantagens

Normalmente este tipo de medidor é aplicável para baixas pressões.

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