Introdução
A pressão é a força aplicada em uma área específica. A pressão pode ser exercida por todas as formas de matéria; sólidos, líquidos e até gasosos. A medição da pressão do fluido é particularmente útil em termos de monitoramento e controle de processos em sistemas de automação industrial. Este artigo tem como objetivo discutir transmissores de pressão diferencial. Eles são um dos sensores de pressão mais utilizados para obter informações de pressão, como taxa de fluxo de sistemas baseados em fluido.
O que é um transmissor de pressão diferencial?
Quando se trata de monitorar a pressão em fluidos, existem três técnicas de medição:
- Pressão do indicador
A pressão manométrica é a diferença de pressão entre o fluido medido e a pressão atmosférica.
- Pressão absoluta
A pressão atmosférica e do fluido combinada é conhecida como pressão absoluta.
- Pressão diferencial
A pressão diferencial é a diferença de pressão em dois pontos distintos no mesmo fluido/gás.
Embora todas essas técnicas possam soar diferentes umas das outras, todas as três estão relacionadas entre si.
Um transmissor de pressão diferencial (também conhecido como transmissor DP) é um tipo especial de sensor de pressão. Pode medir duas pressões diferentes e subtrair uma da outra; daí o nome diferencial. Sensores de pressão diferencial são comumente usados em meios de transmissão de fluidos para determinar a vazão.
O termo transmissor de pressão e transdutor de pressão muitas vezes andam juntos. No entanto, em termos de funcionalidade, eles são diferentes um do outro. Os transdutores de pressão são mais simples do que os transmissores de pressão e contêm um mínimo de circuitos eletrônicos. Ambos os tipos de sensores têm piezo-resistivo ou filme fino montado em uma conexão de processo.
Os transdutores de pressão emitem diretamente sinais analógicos do elemento piezoelétrico. O sinal geralmente está na faixa de milivolts. Eles precisam de circuitos de processamento externo para condicionar esse sinal bruto para alimentar posteriormente um controlador como um PLC.
Os transdutores de pressão, no entanto, possuem circuitos de processamento adicionais embutidos. Isso inclui linearização, amplificação e condicionamento adicional do sinal a ser transmitido para um receptor remoto. Eles consistem em circuitos integrados de transdutor e transmissor para formar uma única unidade capaz de produzir um sinal que pode ser alimentado diretamente em um PLC.
Princípio de funcionamento do transmissor de pressão diferencial
Conforme mencionado acima, os transmissores de pressão diferencial possuem várias seções que adquirem, condicionam e transmitem os sinais de pressão. Na construção mecânica, existem três partes principais:
- Elemento Primário
- Elemento Secundário
- Eletrônicos
O elemento primário é uma construção mecânica especial que introduz uma diferença de pressão no fluxo de fluido. Este pode ser um tubo venturi, placa de orifício, tubo pitot, bocal de fluxo ou um elemento de fluxo laminar.
O elemento primário cria um diferencial de pressão no fluxo de fluido adicionando uma barreira artificial usando uma das barreiras mecânicas mencionadas acima. O elemento secundário capta as pressões em dois pontos, antes e depois da barreira.
O elemento primário é muitas vezes conhecido como 'lado alto' e o elemento secundário como 'lado baixo'. Isso não deve ser mal interpretado, pois o lado alto é de pressão mais alta e o lado de baixo é de pressão mais baixa.
A seção primária tem uma conexão com o elemento secundário através de alguma forma de acoplamento de fluido isolante ou acoplamento mecânico. O fluido é frequentemente baseado em silicone, pois o silicone é um bom isolante térmico e é quimicamente estável. Existem vários tipos de sensores disponíveis em transmissores de pressão diferencial como seu elemento secundário:
- Transdutores de pressão de capacitância diferencial
- Transdutores de pressão de fio vibratório
- Transdutores de pressão do medidor de tensão
O elemento secundário converte o diferencial de pressão detectado em um pequeno sinal de tensão. A eletrônica capta esse sinal de tensão e o condiciona ainda mais. Isso inclui filtragem, normalização, amplificação, amostragem e conversão para sinal de corrente/tensão.
A seção eletrônica então emite uma saída linear relacionada à faixa de pressão medida. Por exemplo, se o sensor for capaz de medir a pressão diferencial de 0-100psi e for um tipo de saída de corrente, ele produzirá 4mA a 0psi e 20mA a 100psi. Qualquer pressão intermediária terá o valor de corrente correspondente. (ou seja, 8mA para 50psi)
Elementos Transmissores de Pressão Diferencial
Como mencionado acima, os transdutores de pressão diferencial possuem 3 elementos principais; elementos de montagem primários, secundários e eletrônicos.
Vejamos brevemente os elementos primários comuns e sua construção.
Elementos Primários
- Placas de orifício
As placas de orifício são uma das formas mais simples de elementos primários. Eles introduzem uma queda de pressão no fluxo introduzindo uma restrição. O orifício sempre tem um diâmetro menor do que o tubo que está sendo conectado.
O transdutor de pressão da placa de orifício possui duas conexões de saída de pressão para conectar o dispositivo a um dispositivo externo de monitoramento de pressão. Nos transmissores de pressão diferencial, isso se conecta ao elemento secundário do dispositivo.
- Tubo de Venturi
Em alguns transmissores de pressão, o elemento primário é um tubo venturi. É um arranjo especial que também restringe o fluxo e cria um diferencial de pressão. Ao contrário do local do orifício, o tubo de venturi tem um formato mais gradual e as pressões são medidas em dois locais diferentes.
O tubo venturi tem uma entrada, parte convergente, uma garganta (menor que o diâmetro típico do tubo) e uma parte divergente que aumenta o diâmetro de volta ao diâmetro original do tubo. As medições de pressão são feitas na seção de entrada e na seção de garganta, que possui dois diâmetros.
O princípio usado para medir a pressão está relacionado com a equação de continuidade e equação de Bernoulli encontrados na teoria da mecânica dos fluidos. Os elementos primários do tipo aventura são encontrados principalmente em medidores de vazão para determinar a vazão.
- Tubo de Pitot
Os tubos de Pitot são usados principalmente para medir taxas de fluxo. Consistem em um tubo dobrado que possui duas aberturas
Uma extremidade do tubo está aberta para um ponto estático no fluido onde há baixa pressão e a outra está diretamente alinhada com o fluxo conforme mostrado abaixo:
À medida que a vazão aumenta, o líquido preso na seção curva do tubo é deslocado para criar um manômetro de líquido, que indica a vazão.
No entanto, a instalação de tais tubos pitot de duas portas pode ser complicada. E tem as seguintes limitações:
- Se a velocidade for muito baixa, a diferença de pressão pode ser difícil de medir.
- Se a velocidade for muito alta (ou seja, supersônica/mais rápida que a velocidade do som), isso também anula os requisitos primários da equação de Bernoulli, tornando-a inválida.
- Se o tubo ficar entupido, a pressão resultante desvia-se dos valores de pressão reais.
Portanto, existem tubos pitot especiais de ponto único denominados 'tubos pitot do tipo médio' que possuem vários tubos sensores a montante, conforme mostrado abaixo.
Esta configuração supera os problemas mencionados no tubo pitot-estático.
- Bocal de fluxo
Os bicos de fluxo são outro tipo de elemento primário encontrado em transdutores de pressão diferencial. Eles são semelhantes aos tubos de orifício, mas apresentam várias vantagens sobre eles.
Existem alguns tipos de bicos de lobo: bicos de fluxo flangeados, bicos de fluxo flangeados com torneiras de baixa pressão integradas e bicos de fluxo soldados.
Os bicos de fluxo do tipo wel-din especiais são particularmente úteis em aplicações de alta pressão e tubulações de pequeno diâmetro onde os flanges não podem ser usados. A figura abaixo mostra um bocal de fluxo soldado, que é colocado entre os tubos e soldado permanentemente no lugar.
Aqui estão algumas das vantagens dos bicos de fluxo em comparação com os elementos da placa de orifício:
- Os bicos de fluxo não contêm bordas afiadas como placas de orifício. Isso torna os bicos de fluxo menos propensos ao desgaste ao longo do tempo.
- Os bicos de fluxo são preferidos na medição de líquidos de alta velocidade.
Amplamente utilizado em aplicações de alta pressão e alta temperatura, como fluxo de vapor de alta velocidade em turbinas.
- Elemento de fluxo laminar
Outro elemento primário interessante é o elemento de fluxo laminar. Isso consiste em vários tubos que são muito mais longos que o diâmetro do tubo principal para diminuir o fluxo e torná-lo laminar.
Esses tubos laminares introduzem uma queda de pressão permanente que não pode ser recuperada a jusante devido ao atrito causado pelos tubos. A queda de pressão é quantificável usando o Equação de Hagen-Poiseuille.
Elementos de fluxo laminar são usados para obter uma relação linear entre a vazão e a queda de pressão, o que elimina a necessidade de uma caracterização de raiz quadrada para linearizar a leitura.
No entanto, dispositivos baseados em elementos laminares precisam de compensação de temperatura, pois a temperatura afeta a viscosidade do líquido, portanto, a leitura final.
Elementos Secundários
O elemento secundário de um transmissor de pressão diferencial consiste nos dispositivos que convertem o atributo físico (pressão) em um sinal elétrico. Isso é feito usando um 'transdutor' que pode assumir qualquer uma das seguintes formas:
- Transdutor de pressão do medidor de tensão
Os transdutores do tipo medidor de tensão são usados para medições de pressão diferencial e pressão de alcance estreito. Eles têm um medidor de tensão, um resistor que muda sua resistência de acordo com a tensão aplicada a ele. O medidor de tensão é conectado a um diafragma para permitir que a pressão se transforme em deformação.
Eles podem ser usados em todos os tipos de transmissores de pressão como elemento transdutor para medir pressões manométricas, absolutas e diferenciais.
- Transdutor de pressão de capacitância
Os transdutores do tipo capacitância usam um diafragma móvel de acordo com a pressão aplicada para determinar o diferencial de pressão. O diafragma é conectado ao elemento primário usando um fluido de enchimento, como silicone líquido.
Isso envolve um circuito complexo que oscila. A frequência de oscilação é afetada pela mudança na capacitância, que finalmente se traduz em um sinal DC como saída do sensor.
- Transdutor de pressão de fio ressonante
Um transdutor de pressão de fio ressonante consiste em um fio ressonante de acordo com um circuito oscilador integrado. Qualquer mudança na pressão faz com que a tensão do fio mude. A mudança na tensão altera a frequência de oscilação. Como isso pode ser medido com muita precisão, os transdutores de fio ressonante são comumente encontrados em aplicações de diferencial de baixa pressão.
Os transdutores de pressão de fio ressonante são muito estáveis sob condições de temperatura estáveis, mas não são lineares. Portanto, estes requerem a assistência de um microprocessador para compensar a não linearidade.
Eletrônicos
A eletrônica de um transmissor de pressão amplifica, condiciona e converte ainda mais o sinal bruto a ser transmitido para um PLC ou outro controlador. A saída pode ser,
- Saída de tensão
Uma saída de 0-10V ou 0-5V dependendo da configuração.
- Saída atual
Uma saída de corrente de 4-20mA para alimentar um cartão de entrada PLC.
- Saída digital
Uma saída com limite ou um fluxo de dados de comunicação digital, como uma saída compatível com RS232 ou RS485, que fornece uma leitura de pressão amostrada digitalmente e altamente precisa.
Construção do Transmissor de Pressão Diferencial
Os transmissores de pressão diferencial consistem em três seções principais, o elemento primário, os elementos secundários e a caixa eletrônica.
O elemento primário é montado diretamente na tubulação e atua como elemento de observação de pressão. Isso introduz uma diferença de pressão no fluxo de fluido e fornece duas saídas de dois pontos com pressão de fluido conhecida e diferente.
O elemento secundário geralmente é montado diretamente em cima do elemento primário, fora da tubulação. Isso converte a pressão física em um pequeno sinal elétrico.
O elemento final é a eletrônica, que possui o condicionamento de sinal e circuitos transmissores embutidos. Este estágio lê a medição do elemento secundário, amplifica, filtra e outras condições para transmitir a leitura para um CLP ou outro receptor adequado.
Onde a Medição de Pressão Diferencial (DP) é usada?
A aplicação mais comum para pressão diferencial é a medição de vazão diferencial. Este tipo de aplicação pode ser encontrado tanto em ambientes domésticos como industriais, como a medição de vazão de líquidos em sistemas dispensadores de óleo/água.
Outras aplicações para DP incluem monitoramento de filtro, medição de nível de líquido e, em alguns casos, monitoramento de torque da cabeça de perfuração. No monitoramento de filtros, o DP é usado para monitorar constantemente os filtros quanto a entupimentos. Se um filtro estiver entupido, a pressão diferencial é aumentada e a leitura é usada para identificar o problema.
Em algumas aplicações, a pressão do gás, o monitoramento da pressão da bomba de líquido e a detecção de vazamento na tubulação de água também são feitos medindo a pressão diferencial.
Para que serve um transmissor de pressão diferencial?
Um transmissor de pressão diferencial é capaz de emitir uma medição de pressão diferencial, de acordo com uma calibração fina. A saída pode ser uma tensão, corrente ou uma saída digital compatível com equipamentos padrão industriais.
Os transmissores de pressão externos são usados para obter as leituras brutas dos transdutores de pressão diferencial e convertê-las em sinais elétricos que são lineares e quantificáveis de acordo com os valores de pressão medidos.
Conclusão
Os transmissores de pressão diferencial são dispositivos integrados que podem ser usados para medir a diferença de pressão em um sistema de fluido. As medições de um transmissor DP podem ser usadas para medir a vazão, pressão (manométrica, pressão diferencial e absoluta) e até mesmo a presença de fluido/gás em alguns casos. Este artigo visa dar uma introdução aos transdutores industriais de pressão diferencial, sua construção e uma breve ideia sobre os diferentes tipos de transmissores DP disponíveis.
