Medição de pressão

Muitos instrumentos foram inventados para medir pressão, com diferentes vantagens e desvantagens. Faixa de pressão, sensibilidade, resposta dinâmica e custo variam em várias ordens de magnitude de um projeto de instrumento para outro. O tipo mais antigo é o manômetro de coluna líquida (um tubo vertical cheio de mercúrio) inventado por Evangelista Torricelli em 1643. O tubo em U foi inventado por Christiaan Huygens em 1661.

HydrostaticEdit

Medidores hidrostáticos (como o manômetro de coluna de mercúrio) comparam a pressão à força hidrostática por unidade de área na base de uma coluna de fluido. As medições do medidor hidrostático são independentes do tipo de gás que está sendo medido e podem ser projetadas para ter uma calibração muito linear. Eles têm uma resposta dinâmica pobre.

PistonEdit

Os medidores do tipo pistão contrabalançam a pressão de um fluido com uma mola (por exemplo, medidores de pressão dos pneus de precisão comparativamente baixa) ou um peso sólido , neste caso é conhecido como um testador de peso morto e pode ser usado para calibração de outros medidores.

Coluna de líquido (manômetro) Editar

Os medidores de coluna de líquido consistem em uma coluna de líquido em um tubo cujas extremidades são expostas a diferentes pressões. A coluna irá subir ou descer até que seu peso (uma força aplicada devido à gravidade) esteja em equilíbrio com o diferencial de pressão entre as duas extremidades do tubo (uma força aplicada devido à pressão do fluido). Uma versão muito simples é um tubo em forma de U meio cheio de líquido, um lado do qual é conectado à região de interesse enquanto a pressão de referência (que pode ser a pressão atmosférica ou o vácuo) é aplicada ao outro. A diferença nos níveis de líquido representa a pressão aplicada. A pressão exercida por uma coluna de fluido de altura he densidade ρ é dada pela equação da pressão hidrostática, P = hgρ. Portanto, a diferença de pressão entre a pressão aplicada Pa e a pressão de referência P0 em um manômetro de tubo em U pode ser encontrada resolvendo Pa – P0 = hgρ. Em outras palavras, a pressão em cada extremidade do líquido (mostrada em azul na figura) deve ser equilibrada (uma vez que o líquido é estático), e então Pa = P0 + hgρ.

Na maioria dos líquidos- medições da coluna, o resultado da medição é a altura h, expressa normalmente em mm, cm ou polegadas. O h também é conhecido como cabeça de pressão. Quando expressa como uma cabeça de pressão, a pressão é especificada em unidades de comprimento e o fluido de medição deve ser especificado. Quando a precisão é crítica, a temperatura do fluido de medição deve ser especificada da mesma forma, porque a densidade do líquido é uma função da temperatura. Assim, por exemplo, a cabeça de pressão pode ser escrita “742,2 mmHg” ou “4,2 polH2O a 59 ° F” para medições feitas com mercúrio ou água como fluido manométrico, respectivamente. A palavra “manômetro” ou “vácuo” pode ser adicionada a tal medição para distinguir entre uma pressão acima ou abaixo da pressão atmosférica. Tanto mm de mercúrio quanto polegadas de água são cabeças de pressão comuns, que podem ser convertidas em unidades SI de pressão usando a conversão de unidades e as fórmulas acima.

Se o fluido medido for significativamente denso, correções hidrostáticas podem ter a ser feita para a altura entre a superfície móvel do fluido de trabalho do manômetro e o local onde a medição da pressão é desejada, exceto quando medir a pressão diferencial de um fluido (por exemplo, através de uma placa de orifício ou venturi), caso em que a densidade ρ deve ser corrigido subtraindo a densidade do fluido sendo medido.

Embora qualquer fluido possa ser usado, o mercúrio é preferido por sua alta densidade (13,534 g / cm3) e baixa pressão de vapor. Seu menisco convexo é vantajoso, pois isso significa que não haverá erros de pressão ao molhar o vidro, embora em circunstâncias excepcionalmente limpas, o mercúrio grudará no vidro e o barômetro poderá ficar preso (o mercúrio pode sustentar uma pressão absoluta negativa) mesmo sob um vácuo forte. Para diferenças de baixa pressão, óleo leve ou água são comumente usados (o último dando origem a unidades de medida como manômetro em polegadas e milímetros de H2O). Os medidores de pressão de coluna de líquido têm uma calibração altamente linear. Eles têm uma resposta dinâmica pobre porque o fluido na coluna pode reagir lentamente a uma mudança de pressão.

Ao medir o vácuo, o líquido de trabalho pode evaporar e contaminar o vácuo se sua pressão de vapor for muito alta. Ao medir a pressão do líquido, um circuito preenchido com gás ou um fluido leve pode isolar os líquidos para evitar que se misturem, mas isso pode ser desnecessário, por exemplo, quando o mercúrio é usado como fluido do manômetro para medir a pressão diferencial de um fluido, como agua. Medidores hidrostáticos simples podem medir pressões que variam de algumas torrs (alguns 100 Pa) a algumas atmosferas (aproximadamente 1000000 Pa).

Um manômetro de coluna líquida de ramo único tem um reservatório maior em vez de um lado do tubo em U e tem uma escala ao lado da coluna mais estreita. A coluna pode ser inclinada para ampliar ainda mais o movimento do líquido. Com base no uso e na estrutura, os seguintes tipos de manômetros são usados

1. Manômetro simples
2. Micromanômetro
3. Manômetro diferencial
4. Invertido manômetro diferencial

McLeod gaugeEdit

Um medidor de McLeod isola uma amostra de gás e a comprime em um manômetro de mercúrio modificado até que a pressão seja de alguns milímetros de mercúrio. A técnica é muito lenta e inadequada para monitoramento contínuo, mas é capaz de boa precisão. Ao contrário de outros medidores de manômetro, a leitura do medidor McLeod é dependente da composição do gás, uma vez que a interpretação depende da compressão da amostra como um gás ideal. Devido ao processo de compressão, o medidor McLeod ignora completamente as pressões parciais de vapores não ideais que se condensam, como óleos de bomba, mercúrio e até mesmo água se compactada o suficiente.

Faixa útil: de cerca de 10-4 Torr (aproximadamente 10−2 Pa) para aspirar até 10−6 Torr (0,1 mPa),

0,1 mPa é a medição direta de pressão mais baixa possível com a tecnologia atual. Outros medidores de vácuo podem medir pressões mais baixas, mas apenas indiretamente pela medição de outras propriedades dependentes de pressão. Essas medições indiretas devem ser calibradas para unidades SI por uma medição direta, mais comumente um medidor McLeod.

AneroidEdit

Os medidores aneróides são baseados em um elemento sensor de pressão metálico que flexiona elasticamente sob o efeito de uma diferença de pressão no elemento. “Aneróide” significa “sem fluido”, e o termo originalmente distinguia esses medidores dos medidores hidrostáticos descritos acima. No entanto, medidores aneróides podem ser usados para medir a pressão de um líquido, bem como de um gás, e não são o único tipo de medidor que pode operar sem fluido. Por esta razão, eles são freqüentemente chamados de medidores mecânicos na linguagem moderna. Os medidores aneróides não dependem do tipo de gás que está sendo medido, ao contrário dos medidores térmicos e de ionização, e são menos propensos a contaminar o sistema do que os medidores hidrostáticos. O elemento sensor de pressão pode ser um tubo de Bourdon, um diafragma, uma cápsula ou um conjunto de foles, que mudará de forma em resposta à pressão da região em questão. A deflexão do elemento sensor de pressão pode ser lida por uma ligação conectada a uma agulha, ou pode ser lida por um transdutor secundário. Os transdutores secundários mais comuns em medidores de vácuo modernos medem uma mudança na capacitância devido à deflexão mecânica. Os medidores que dependem de uma mudança na capacitância são frequentemente chamados de manômetros de capacitância.

Bourdon gaugeEdit

O manômetro Bourdon usa o princípio de que um tubo achatado tende a endireitar ou recuperar sua forma circular na seção transversal quando pressurizado. Esta mudança na seção transversal pode ser quase imperceptível, envolvendo tensões moderadas dentro da faixa elástica de materiais facilmente trabalhados. A deformação do material do tubo é ampliada pela formação do tubo em forma de C ou mesmo em hélice, de modo que todo o tubo tende a se endireitar ou se desenrolar elasticamente à medida que é pressurizado. Eugène Bourdon patenteou seu medidor na França em 1849, e ele foi amplamente adotado devido à sua sensibilidade, linearidade e precisão superiores; Edward Ashcroft adquiriu os direitos de patente americana da Bourdon em 1852 e se tornou um grande fabricante de medidores. Também em 1849, Bernard Schaeffer em Magdeburg, Alemanha, patenteou um manômetro de diafragma (veja abaixo) que, juntamente com o medidor Bourdon, revolucionou a pressão medição na indústria. Mas em 1875, depois que as patentes de Bourdon expiraram, sua empresa Schaeffer e Budenberg também fabricaram medidores de tubo Bourdon.

Na prática, uma parede fina achatada, extremidade fechada tubo é conectado na extremidade oca a um tubo fixo contendo a pressão do fluido a ser medida. À medida que a pressão aumenta, a extremidade fechada se move em um arco e esse movimento é convertido na rotação de uma (segmento de) engrenagem por um elo de conexão que geralmente é ajustável. Uma engrenagem de pinhão de pequeno diâmetro está no eixo do ponteiro, então o movimento é ampliado ainda mais pela relação de engrenagem. O posicionamento do cartão indicador atrás do ponteiro, a posição inicial do eixo do ponteiro, o comprimento da ligação e a posição inicial, todos fornecem meios para calibrar o ponteiro para indicar a faixa de pressão desejada para variações no comportamento do próprio tubo Bourdon.A pressão diferencial pode ser medida por manômetros contendo dois tubos Bourdon diferentes, com ligações de conexão.

Os tubos Bourdon medem a pressão manométrica, relativa à pressão atmosférica ambiente, em oposição à pressão absoluta; o vácuo é percebido como um movimento reverso. Alguns barômetros aneróides usam tubos Bourdon fechados em ambas as extremidades (mas a maioria usa diafragma ou cápsulas, veja abaixo). Quando a pressão medida está pulsando rapidamente, como quando o manômetro está perto de uma bomba alternativa, uma restrição de orifício no tubo de conexão é freqüentemente usada para evitar desgaste desnecessário nas engrenagens e fornecer uma leitura média; quando todo o medidor está sujeito a vibração mecânica, toda a caixa, incluindo o ponteiro e o cartão indicador, pode ser preenchida com um óleo ou glicerina. Bater na face do medidor não é recomendado, pois tende a falsificar as leituras reais inicialmente apresentadas pelo medidor. O tubo Bourdon é separado da face do manômetro e, portanto, não tem efeito na leitura real da pressão. Medidores modernos típicos de alta qualidade fornecem uma precisão de ± 2% da amplitude, e um medidor especial de alta precisão pode ser tão preciso quanto 0,1% da escala total.

Os sensores de tubo de quartzo fundido de quartzo fundido com força balanceada funcionam no mesmo princípio, mas usa a reflexão de um feixe de luz de um espelho para detectar o deslocamento angular e a corrente é aplicada aos eletroímãs para equilibrar a força do tubo e trazer o deslocamento angular de volta a zero, a corrente que é aplicada ao bobinas são usadas como medida. Devido às propriedades mecânicas e térmicas extremamente estáveis e repetíveis do quartzo e ao equilíbrio de força que elimina quase todos os movimentos físicos, esses sensores podem ter uma precisão de cerca de 1 PPM de escala total. Devido às estruturas de quartzo fundido extremamente finas que devem ser feitas à mão, esses sensores são geralmente limitados para fins científicos e de calibração.

Nas ilustrações a seguir, a face da tampa transparente do manômetro de combinação de pressão e vácuo foi removido e o mecanismo removido da caixa. Este medidor em particular é uma combinação de medidor de vácuo e pressão usado para diagnóstico automotivo:

• O lado esquerdo da face, usado para medir o vácuo múltiplo, é calibrado em centímetros de mercúrio em sua escala interna e polegadas de mercúrio em sua escala externa.
• O parte direita da face é usada para medir a pressão da bomba de combustível ou turbo boost e é calibrada em frações de 1 kgf / cm2 em sua escala interna e libras por polegada quadrada em sua escala externa.

Detalhes mecânicos Editar

Partes estacionárias:

• A: Bloco receptor. Isso une o tubo de entrada à extremidade fixa do tubo Bourdon (1) e prende a placa do chassi (B). Os dois orifícios recebem parafusos que prendem a caixa.
• B: Placa do chassi. A carta de rosto está anexada a isso. Ele contém orifícios de rolamento para os eixos.
• C: Placa secundária do chassi. Suporta as extremidades externas dos eixos.
• D: Postes para unir e espaçar as duas placas do chassi.

Partes móveis:

1. Extremidade estacionária do tubo Bourdon. Isso se comunica com o tubo de entrada através do bloco receptor.
2. Extremidade móvel do tubo Bourdon. Esta extremidade é selada.
3. Pivô e pino de articulação
4. Ligue o pino de articulação de união à alavanca (5) com pinos para permitir a rotação da junta
5. Alavanca, uma extensão de a engrenagem do setor (7)
6. pino do eixo da engrenagem do setor
7. engrenagem do setor
8. Eixo da agulha do indicador. Este tem uma engrenagem dentada que engata a engrenagem do setor (7) e se estende através da face para acionar a agulha indicadora. Devido à curta distância entre a saliência da ligação do braço de alavanca e o pino pivô e a diferença entre o raio efetivo da engrenagem setorial e da engrenagem reta, qualquer movimento do tubo de Bourdon é bastante amplificado. Um pequeno movimento do tubo resulta em um grande movimento da agulha do indicador.
9. Mola de cabelo para pré-carregar o trem de engrenagens para eliminar a tensão e histerese da engrenagem

DiafragmaEdit

Um segundo tipo de medidor aneróide usa a deflexão de uma membrana flexível que separa regiões de diferentes pressões. A quantidade de deflexão pode ser repetida para pressões conhecidas, de modo que a pressão pode ser determinada usando a calibração. A deformação de um diafragma fino depende da diferença de pressão entre suas duas faces. A face de referência pode ser aberta para a atmosfera para medir a pressão manométrica, aberta para uma segunda porta para medir a pressão diferencial ou pode ser vedada contra vácuo ou outra pressão de referência fixa para medir a pressão absoluta. A deformação pode ser medida usando técnicas mecânicas, ópticas ou capacitivas.São usados diafragmas cerâmicos e metálicos.

Faixa útil: acima de 10−2 Torr (aproximadamente 1 Pa)

Para medições absolutas, cápsulas de pressão soldadas com diafragmas em ambos os lados são freqüentemente usadas.

forma:

• Plano
• Corrugado
• Tubo achatado
• Cápsula

BellowsEdit

Em medidores destinados a detectar pequenas pressões ou diferenças de pressão, ou exigir que uma pressão absoluta seja medida, o trem de engrenagens e a agulha podem ser acionados por uma câmara de fole fechada e vedada, chamada de aneróide, que significa “sem líquido”. (Os primeiros barômetros usavam uma coluna de líquido, como água ou mercúrio de metal líquido suspenso por um vácuo.) Esta configuração de fole é usada em barômetros aneróides (barômetros com uma agulha indicadora e cartão de mostrador), altímetros, barógrafos de registro de altitude e a altitude instrumentos de telemetria usados em radiossondas de balão meteorológico. Esses dispositivos usam a câmara selada como uma pressão de referência e são acionados pela pressão externa. Outros instrumentos de aeronaves sensíveis, como indicadores de velocidade do ar e indicadores de taxa de subida (variômetros), têm conexões tanto com a parte interna da câmara aneróide quanto com uma câmara externa de fechamento.

Acoplamento magnéticoEdit

Esses medidores usam a atração de dois ímãs para traduzir a pressão diferencial em movimento de um ponteiro de discagem. À medida que a pressão diferencial aumenta, um ímã conectado a um pistão ou diafragma de borracha se move. Um ímã rotativo conectado a um ponteiro se move em uníssono. Para criar diferentes faixas de pressão, a taxa da mola pode ser aumentada ou diminuída.

Medidor de rotor giratórioEditar

O medidor de rotor giratório funciona medindo a quantidade de velocidade de uma bola em rotação pelo viscosidade do gás sendo medido. A bola é feita de aço e levitada magneticamente dentro de um tubo de aço fechado em uma extremidade e exposta ao gás a ser medido na outra. A bola é colocada em velocidade (cerca de 2500 rad / s), e a velocidade medida após desligar o drive, por transdutores eletromagnéticos. O intervalo do instrumento é de 10−5 a 102 Pa (103 Pa com menos precisão). É preciso e estável o suficiente para ser usado como um padrão secundário. O instrumento requer alguma habilidade e conhecimento para ser usado corretamente. Várias correções devem ser aplicadas e a bola deve ser girada a uma pressão bem abaixo da pressão de medição pretendida por cinco horas antes de usar. É mais útil em laboratórios de calibração e pesquisa onde alta precisão é necessária e técnicos qualificados estão disponíveis.