Pressão Corresponde a uma das medidas mais importantes na indústria Os princípios usados também são aplicados às medidas de temperatura, nível e vazão de líquidos Princípios, leis e teoremas envolvidos Lei da conservação da energia (Teorema de Bernoulli) Teorema de Stevin (altura da coluna de líquido) Teorema de Pascal (transmissão de força em um fluido sob pressão) Equação manométrica (relação entre pressão e altura de colunas de líquido)

Esquema ilustrativo do teorema de Bernoulli.

Patm PA = Patm + d.g.h Líquido de densidade “d” Teorema de Stevin: relaciona a pressão estática de um fluido em repouso com a altura da coluna deste.

Esquema para ilustração do Teorema de Pascal (transmissão de força em um fluido sob pressão).

Esquema ilustrativo para dedução da equação manométrica (relação entre pressão e altura de colunas de líquido).

Tipos de pressões medidas Pressão absoluta (pressão atmosférica + pressão manométrica) Pressão manométrica (pressão acima da pressão atmosférica) Pressão barométrica (pressão atmosférica) Pressão diferencial (diferença de pressão entre dois pontos)

Referenciais de pressão.

Algumas unidades de pressão

Medição de pressão por manométrica Tipo de Manômetro Elemento de recepção Manômetro de líquido Tubo em “U” Tubo reto Tubo inclinado Manômetro elástico Tubo de Bourbon (C, espiral e helicoidal) Fole Diafragma Cápsula

A. Manômetros de líquido Construção: Basicamente é constituído por tubo de vidro com área seccional uniforme, uma escala graduada e um líquido de enchimento, tudo suportado por uma estrutura de sustentação. Líquidos mais empregados: mercúrio e água

Referencial para leitura de menisco de mercúrio e de água.

A1. Manômetro tipo coluna em “U” A leitura pode ser feita simplesmente medindo-se o deslocamento do lado de baixa pressão a partir do mesmo nível do lado de alta pressão, tomando como referência o zero da escala. A faixa de medição é de aproximadamente 0 ~ 2000 mmH2O/mmHg.

Foto de um manômetro de tubo em “U”.

A2. Manômetro tipo coluna reta vertical Superfície do líquido quando P1=P2 h2 h1 l Coluna reta Tanque de líquido de densidade δ A P1 P2 a j ... um grande des-locamento do lí-quido na coluna reta (h2). Um pequeno des-locamento do lí-quido no tanque (h1) leva a... A pressão é obtida pela expressão: P1 – P2 = δ . h2 ( a + 1) A

A3. Manômetro tipo coluna reta inclinada h2 h1 l α Tanque de líqui-do (densidade δ) Superfície do líquido quando P1=P2 A pressão é obtida pela expressão: P1 – P2 = δ . L ( a + sen α) A

Foto de um manômetro de tubo reto inclinado. Adequado para baixas pressões (da ordem de 50 mmH2O) A vantagem em relação ao tubo reto vertical é a expansão da escala, permitindo medições de pressão com maior precisão. Foto de um manômetro de tubo reto inclinado.

Observações Os manômetros de líquido em geral são adequados nos casos em que o valor da pressão não é crucial para o processo e, portanto, não é necessário investimento em instrumentos mais sofisticados. São de construção simples e de baixo custo.

B. Manômetros elásticos Baseiam-se na lei de Hooke, sobre elasticidade dos materiais 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 à sua posição inicial sem perder suas características Princípio: Medida da deformação elástica sofrida por um material em decorrência da força resultante da pressão a que foi submetido

A deformação provoca um deslocamento linear que é convertido de forma proporcional em um deslocamento angular por um mecanismo específico. Ao deslocamento angular é anexado um ponteiro que percorre uma escala linear e cuja faixa representa a faixa de medição do elemento de recepção. Os elementos de recepção é que dão nome aos diferentes tipos de manômetros elásticos.

B1. Manômetro tipo Tubo de Bourdon Tubo com seção oval, que pode estar disposto em forma de “C”, espiral ou helicoidal. Tem uma extremidade fechada e outra aberta à pressão a ser medida. Com a pressão agindo em seu interior, o tubo se deforma, resultando um movimento em sua extremidade fechada. Esse movimento, por meio de engrenagens, é transmitido a um ponteiro que indica a medida da pressão em uma escala graduada.

Representações e ilustrações dos três tipos de tubo de Bourdon.

Esquema básico do tubo de Bourdon tipo “C”.

Esquema do tubo de Bourdon tipo “C” com indicação dos seus principais componentes.

Fotos de manômetros elásticos com tubo de Bourdon tipo “C”.

Selos Alguns fluidos podem ser corrosivos, tóxicos, conter elementos radioativos ou estar a uma temperatura muito alta, condições que impossibilitam seu contato com o tubo de Bourdon. No caso de fluidos empregados em bioprocessos deve-se considerar ainda o envolvimento de microrganismos, tanto no sentido do meio para o instrumento (danificação) quanto do instrumento para o meio (contaminação), além de vapor d’água.

Alguns tipos de selo para manômetros tipo Bourdon. Isto torna necessário o emprego de selos, os quais impedem o contato do fluido sob medição com o instrumento (tubo de Bourdon). Selo por diafragma Alguns tipos de selo para manômetros tipo Bourdon.

B2. Manômetro tipo Diafragma Tipo de medidor que utiliza um diafragma para medir determinada pressão, bem como para separar o fluido medido do mecanismo interno (ou seja, funciona também com um selo). Diafragma é uma membrana fina de material elástico, metálico ou não que, neste manômetro, fica sempre oposta a uma mola. A pressão sobre o diafragma causará um deslocamento deste até um ponto onde a sua força elástica se equilibrará com a força da mola. Este deslocamento é transmitido a um sistema com indicação (ponteiro) que mostra a medição efetuada.

Esquema simplificado de um manômetro de diafragma. Kk kk Esquema simplificado de um manômetro de diafragma.

Esquema geral de um manômetro de diafragma. Pressão Diafragma Setor dentado Mola plana Mola espiral Pinhão (engrenagem) Braço de articulação Escala Este deslocamento é transmitido a um sistema articulado (com ponteiro) que mostra, numa escala, a medição efetuada. Diafragma é uma membrana fina de material elástico, metálico ou não que, neste manômetro, fica sempre oposta a uma mola. A pressão sobre o diafragma causará um deslocamento deste até um ponto onde a sua força elástica se equilibrará com a força da mola. Esquema geral de um manômetro de diafragma.

Concepção alternativa de um manômetro de diafragma. Escala Pressão Haste Membrana Setor dentado Concepção alternativa de um manômetro de diafragma.

Ilustrações de manômetros de diafragma. Com selo sanitário (próprio para indústria alimentícia) Ilustrações de manômetros de diafragma.

B3. Manômetro tipo Fole Foles são dispositivos constituídos por um material que possui rugas ou dobraduras e que tem possibilidade de expandir-se e contrair-se em função de pressões aplicadas no sentido de seus eixos. No caso de manômetros, tais dispositivos são cilíndricos, com rugas ao longo do círculo exterior. Como a resistência à pressão é limitada, são usados para medição de baixas pressões.

Esquema simplificado de um manômetro tipo fole. Kk kk Esquema simplificado de um manômetro tipo fole.

Esquema geral de um manômetro tipo fole. ESCALA BATENTE PONTEIRO FOLE Pressão MOLA Esquema geral de um manômetro tipo fole.

Concepção alternativa de um manômetro de fole. Mola Pinhão Mola espiral Rugas Caixa Setor dentado Escala Braço de articulação hhhh Pressão Concepção alternativa de um manômetro de fole.

Ilustrações de manômetros de FOLE.

B4. Manômetro tipo Cápsula Esquema geral de um manômetro tipo cápsula. Constitui uma variação do manômetro de fole.

Vacuômetros São instrumentos análogos ao manômetros de elástico, diferindo na faixa de medição (pressões abaixo da pressão atmosférica até alto vácuo). Em muitos casos o instrumento funciona como manômetro e como vacuômetro.

Ilustração de um vacuômetro.

Transdutores de pressão Correspondem a conversores cuja finalidade principal é transformar as variações de pressão detectadas pelos elementos sensores em sinais padrões de transmissão. Esses dispositivos convertem o sinal de pressão detectado em sinal elétrico padronizado (4 a 20 mA dc). Assim, esses dispositivos permitem a construção dos manômetros e vacuômetros digitais. Os principais tipos de transdutores são: capacitivo, indutivo, de deformação, ótico, piezoelétrico, de fio ressonante e potenciométrico.

Ilustrações de instrumentos digitais de medida de pressão e vácuo.

Fatores que devem ser considerados na escolha do medidor Compatibilidade com o fluido Faixa de medição Temperatura de operação Precisão Custo Estabilidade térmica Resistência à corrosão (do fluido e do ambiente) Interferências (campos magnéticos, vibrações, etc.) Facilidade de manutenção e reposição Resistência a sobrecargas e choques Confiabilidade Interface elétrica Etc.

Medição de pressão e vácuo em bioprocessos - Manômetro tipo diafragma Variável relacionada com a solubilidade do oxigênio em meio líquido Controle da pressão para operações em temperaturas acima de 100 oC (esterilização) Controle do vácuo para evaporações em temperaturas abaixo de 100 oC (concentração) Controle do vácuo para filtrações (recuperação) Medição e controle da pressão para avaliação da perda de carga durante bombeamento de meios e ar Medição e controle da pressão na cabeça do biorreator (manutenção de pressão positiva)