Estudo Dirigido Instrumentação e Controle - Medidores de Pressão e Vazão

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Alunos: Daniele Mikovski, Jhonatan Basso, Paulo Alexandre.
Estudo Dirigido – Instrumentação e Controle em Bioprocessos
1) Explique com suas palavras o conceito de precisão e porquê é importante levar este parâmetro em importância ao escolher um instrumento de medição.
R: A precisão se refere à proximidade/linearidade dos resultados em uma serie de medições; capacidade do sensor do equipamento, apresentar uma repitibilidade quando exposto as mesmas condições. A precisão é importante para que não haja dúvidas sobre a integridade dos resultados, pois depende diretamente da integridade do equipamento de medição.
2) Todos os instrumentos possuem histerese? Explique o que este fenômeno é e dê exemplos que fundamentem a resposta da primeira pergunta.
R: Não, mas sim em sua maioria. É a diferença máxima apresentada por um instrumento de medição, em qualquer ponto de sua faixa de trabalho (range), para um mesmo valor, quando a variável percorre toda a escala do trabalho no sentido ascendente ou descendente. Tendência de um sistema ou material manter suas propriedades sem a presença do estimulador que a gerou.
Ex1: Durante a calibração de um determinado instrumento com range de 0 à 200ºC, foi levantada a curva dos valores indicados, conforme mostrado na figura. A diferença entre 120,2ºC e 119,8ºC representa o erro de histerese correspondente a 0,2 % do span.
Ex2: Equipamentos que medem peso, massa, e outras constantes não possuem ou não é considerada o efeito de histerese. Pois como exemplo não há variação do peso de uma amostra antes, depois ou durante uma medição.
3) Cite pelo menos dois medidores de pressão que não foram mencionados em sala e explique como funcionam.
R: Medidores de pressão por alterações elétricas;
Piezo-resistivo ou Strain Gage
A piezo-resistividade refere-se à mudança da resistência elétrica com a deformação/contração como resultado da pressão aplicada. Na sua grande maioria são formados por elementos cristalinos (strain gage) interligados em ponte (wheatstone) com outros resistores que provém o ajuste de zero, sensibilidade e compensação de temperatura. O material de construção varia de fabricante para fabricante e hoje em dia é comum sensores de estado sólido.
Figura 8 – Sensor Piezo-Resisitivo.
Piezo-elétrico
O material piezo-elétrico é um cristal que produz uma tensão diferencial proporcional a pressão a ele aplicada em suas faces: quartzo, sal de Rochelle, titânio de bário, turmalina etc. Este material acumula cargas elétricas em certas áreas de sua estrutura cristalina, quando sofrem uma deformação física, por ação de uma pressão. A piezo-eletricidade foi descoberta por Pierre e Jacques Curie em 1880.
Figura 9a – Sensor Piezo-Elétrico.
4) A pressão atmosférica de uma dada cidade é de 740 mm Hg. Expressar a pressão manométrica de 0,25 Kgf/cm2, de forma relativa (referente à cidade) e absoluta, nas seguintes unidades:
Dados:
Pabsoluta (PA) = Patm local + Pmanométrica (PG)
Patm = 740 mmHg
PG = 0,25 Kgf/cm2
a) Kgf/m2
1mmHg – 0,00135 Kgf/cm2
PG = 0,25 Kgf/(10-2 m)2 = 0,25 Kgf/10-4 m2 = 2500 Kgf/m2
PA = (740 x 0,00135 Kgf/10-4 m2) + (2500 Kgf/m2) = 12490 Kgf/m2
b) Pascal
1 mmHg – 0,13332x103 Pa
 1 Kgf/cm2 – 98,0665x103 Pa
 PG = 0,25 x 98,0665x103 Pa = 24,5166 x 103 Pa
 PA = (740 x 0,13332x103) Pa + (24,5166 x 103) Pa = 123, 1734 x 103 Pa
c) bar
1 mmHg – 0,00133 bar
1 Kgf/cm2 – 0,9807 bar
PG = 0,25 x 0,9807 bar = 0,2452 bar
PA = (740 x 0,00133) bar + (0,2452) bar = 1,2294 bar 
d) Kgf/cm2
 PG = 0,25 Kgf/cm2
 PA = (740 x 0,00135) Kgf/cm2 + 0,25 Kgf/cm2 = 1,249 Kgf/cm2
e) PSI = lbf/pol2
1 Kgf/cm2 – 14,233 psi
1 mmHg – 0,019337 psi
PG = 0,25 x 14,233 psi = 3,558 psi
PA = (740 x 0,019337) psi + (3,558) psi = 17,8674 psi
f) mmHg
1 Kgf/cm2 – 735,58 mmHg
PG = 0,25 x 735,58 mmHg = 183,895 mmHg
PA = 740 mmHg + 183,895 mmHg = 923,895 mmHg
5) Se utiliza um manômetro tipo "U" para medir uma pressão de um fluido com massa específica (ρ = 700 kg/m³). O manômetro utiliza mercúrio (ρman = 13.600 kg/m³). Determine: 
Dados:
Fluido - ρ = 700 kg/m³
Mercúrio - ρman = 13.600 kg/m³
a) Pressão relativa em A quando h1=0,4 m e h2=0,9 m.
PA = Pman - Pfluido
PA = (ρman*g*h2) – (ρfluido*g*h1)
PA = (13600 kg/m³ x 9,81 m/s2 x 0,9m) – (700 kg/m³ x 9,81 m/s2 x 0,4m)
PA = 120074 kg/ms2 – 2746,8 kg/ms2
PA = 117327,2 N ou 117,3 kN
b) Pressão relativa em A quando h1=0,4 m e h2=-0,1 m.
PA = Pman - Pfluido
PA = (ρman*g*h2) – (ρfluido*g*h1)
PA = (13600 kg/m³ x 9,81 m/s2 x (-0,1m)) – (700 kg/m³ x 9,81 m/s2 x 0,4m)
PA = -13341,6 kg/ms2 – 2746,8 kg/ms2
PA = -16088,4 N ou -16,09 kN
* O valor negativo da pressão relativa em A mostra que se encontra em um valor abaixo da pressão atmosférica.
6) Cite pelo menos dois medidores de vazão que não foram mencionados em sala e explique como funcionam.
R: Medidores de vazão por Deslocamento Positivo são a única tecnologia de medição de vazão para medir diretamente o volume de fluido que passa através de um medidor de vazão. Consegue-se isso prendendo quantidades de fluido entre componentes rotativos encapsulados dentro de um compartimento de alta precisão. Isso pode ser comparado a preencher repetidamente um béquer com fluido e verter o conteúdo na direção do fluxo enquanto se conta o número de vezes em que o béquer é preenchido.
Medidor de vazão do tipo turbina: consiste basicamente de um rotor provido de palhetas suspenso numa corrente de fluido por um eixo de rotação paralelo à direção do fluxo. O rotor é acionado pela passagem de fluido sobre as palhetas em ângulo; sua velocidade angular é proporcional à velocidade do fluido, que por sua vez é proporcional à vazão do volume. Um sensor (pick up magnética ou sensor tipo rádio frequência) na parte externa do corpo do medidor, sem contato com o fluido detecta o movimento do rotor. Como as palhetas do rotor são feitas de material magnético, à medida que cada uma passa próxima ao sensor corta o campo magnético, gerando um pulso. O sinal de saída é uma sequência de pulsos em que cada pulso representa um pequeno vo lu me determinado de líquido ou gás. O sinal detectado é linear à vazão. Unidades eletrônicas associa das permitem indicar a vazão instantânea ou o volume totalizado.
7) Explique como os medidores de vazão podem ajudar no funcionamento da direção hidráulica.
R: Os sistemas de direção hidráulica trabalham com óleo sob pressão. Para o seu perfeito funcionamento, existe a necessidade de um reservatório para armazenamento do óleo e de uma bomba hidráulica para o fornecimento desse óleo para a direção. A energia hidráulica para a direção é fornecida por uma bomba rotativa de palhetas.  À medida que as palhetas giram, elas sugam o fluido hidráulico sob baixa pressão da linha de retorno e o forçam para a saída sob alta pressão. A vazão fornecida pela bomba depende da rotação do motor do carro. A bomba deve ser projetada para fornecer uma vazão adequada quando o motor estiver em marcha lenta.  
Além do medidor de vazão fazer parte de Bomba hidráulica para o seu funcionamento, ele também é utilizado de forma externa para calibragem, monitoramento e manutenção dos sistemas hidráulicos em geral.
8) É possível ter medidores de vazão em tanques abertos? Dê um exemplo de medidor e explique como funciona.
R: Sim, Calha de Parshall: é um elemento primário para medir a vazão de líquidos fluindo por gravidade em canais abertos, podendo conter sólidos suspensos. Apresenta pouca perda de carga e é bastante preciso na determinação (leitura) das vazões. A vazão é medida de acordo com o nível de líquido na Calha Parshall, podendo ser observado pela régua graduada fixada internamente ao equipamento.