Conhecendo a medição de pressão – Parte 1 | Velki - Instrumentos de Medição e Controle

Conhecendo a medição de pressão – Parte 1

Rodrigo Trentini, Prof. Dr., Instituto Federal de Santa Catarina

Neste artigo, começaremos uma nova série que tratará sobre o princípio de funcionamento de vários tipos de sensores normalmente utilizados na indústria. Este primeiro texto aborda especificamente conceitos básicos sobre o que é pressão e as formas de medi-la, juntamente com um apanhado histórico. Detalhes técnicos serão abordados nos artigos seguintes.

Um pouco de história

Até o século VI a.C. não se considerava que o ar representava algo físico. Foi quando o filósofo grego Anaxímenes de Mileto afirmou que todas as coisas são feitas de ar, e que este é alterado por níveis variados de pressão. Ele observou que a água evaporada se transformava em gás, notando que a temperatura tornava os gases menos densos quando quentes e mais densos quando frios.

Porém, somente a partir do século XVII foi que o cientista italiano Evangelista Torricelli conduziu experimentos que puderam comprovar que o ar possui massa, mostrando inclusive que a pressão atmosférica é menor no alto de uma montanha do que ao nível do mar (curiosidade: a pressão atmosférica no topo do Monte Everest é cerca de 36% da pressão ao nível do mar). Mesmo o gênio Galileu Galilei havia afirmado que isso não podia ser verdade. Mas era. E Torricelli acabou fazendo uma grande diferença para todos os que vieram depois dele.

A pressão

A definição de pressão (P) é direta: é a força (F) exercida sobre uma determinada área (A). Em termos matemáticos,

Se a força for dada em Newton (N) e a área em metros quadrados (m²), então a pressão é dada em N/m², que é chamado de Pascal (Pa). No entanto, há várias outras unidades de medidas que são utilizadas a depender do país e da aplicação, como por exemplo atm, bar, psi, kgf/cm², inHg etc. Ainda há as variações de Pa: kPa (mil vezes um PA) e MPa (um milhão de vezes um Pa).

Em relação a medições, há três considerações sobre a pressão medida que são importantes de serem entendidas:

1. Pressão absoluta – é a medição em relação ao vácuo perfeito (nota: na prática utiliza-se algo em torno de 35 µbar devido à dificuldade na geração do vácuo perfeito). São medidores isolados hermeticamente para que a pressão local não influencie na medição. Este sensor não gera pressões negativas. São especialmente aplicados para medição da pressão atmosférica (altímetros), na indústria alimentícia para geração de vácuo parcial para as embalagens e em laboratórios de precisão onde a medição da pressão é crítica. 

2. Pressão relativa – trata-se da medição de pressão em relação à pressão local. O funcionamento é similar ao da medição da pressão absoluta, porém o medidor não é isolado hermeticamente, justamente para que a pressão atmosférica local tenha influência na medição. Pode gerar pressões negativas, principalmente no caso da geração de vácuo. É de longe o tipo mais utilizado de medição de pressão, tendo aplicação nas mais diversas áreas.

3. Pressão diferencial – muito similar à medição absoluta de pressão, no entanto utiliza-se duas entradas no medidor para que este considere uma delas como referência. Também pode indicar pressões negativas a depender da referência de pressão utilizada. É bastante utilizado em sistemas de filtragem. Uma diferença elevada de pressão entre a entrada e a saída do filtro significa que este está saturado.

Os primeiros dispositivos de medição de pressão

O advento da 1ª Revolução Industrial, com suas máquinas a vapor, acelerou o desenvolvimento de dispositivos para medição de pressão. Naquele momento, percebeu-se que era muito importante o monitoramento da pressão do vapor responsável pelo funcionamento das primeiras máquinas semi-automatizadas. Os equipamentos não funcionavam bem com pressões muito baixas. Por outro lado, pressões elevadas podiam prejudicar permanentemente as máquinas, havendo inclusive o risco de ferir os operadores devido a eventuais explosões.

Uma das primeiras formas para medição de pressão em ambiente industrial foi através de uma coluna de líquido. Veja a figura a seguir.

Figura 1 – Medição de pressão por coluna de líquido.

Se pressões diferentes forem colocadas nas extremidades do tubo, haverá uma diferença no nível do fluido interno. Uma vez que o líquido é estático, pode-se usar a noção de energia potencial para obter a diferença de nível (Δh) a partir da seguinte equação,

Outros dispositivos foram sendo desenvolvidos e aplicados, porém problemas construtivos e de não linearidade de medição sempre eram empecilhos técnicos importantes.

No entanto, foi em 1849 que uma nova forma de medição foi introduzida pelo relojoeiro francês Eugène Bourdon, mudando para sempre a história da medição de pressão. Bourdon usou o mesmo princípio de funcionamento do brinquedo infantil “língua-de-sogra”: uma pressão na entrada altera o formato circular de um tubo achatado flexível. Como a extremidade do tubo está conectada a um came, o engrenamento interno é responsável pela movimentação do ponteiro do indicador de pressão. As figuras a seguir mostram duas posições distintas do medidor que convencionou-se chamar de manômetro.

Figura 2 – Manômetro construído a partir do Tubo de Bourdon. À esquerda, sem pressão na entrada. À direita, com pressão. Note a deformação no tubo interno, que ocasiona o deslocamento do ponteiro.

Hoje em dia, tal tipo de manômetro é encontrado com muita facilidade em ambientes industriais. No entanto, trata-se de um equipamento totalmente analógico, o que tornou-se um problema com o advento da 3ª Revolução Industrial.

Sensores e transdutores

A fim de atender a demanda por um produto capaz de gerar um sinal elétrico proporcional à pressão medida, convencionou-se acoplar um potenciômetro ao eixo de um manômetro mecânico. No entanto, esta solução demonstrou-se muito longe da ideal, pois potenciômetros apresentam um alto grau de desgaste, além de prejudicar a medição devido ao atrito de suas trilhas. Este motivo foi um dos impulsionadores do desenvolvimento de sensores de pressão baseados em grandezas elétricas.

Nos próximos artigos trataremos sobre os principais destes, como o sensor capacitivo, o sensor piezoresistivo, o extensômetro e o sensor piezoelétrico. Vamos explicar seus princípios de funcionamento, além de destacar a diferença entre sensor e transdutor.

Rodrigo Trentini é professor do Instituto Federal de Santa Catarina. Possui doutorado em Engenharia Elétrica pela Universidade de Hannover, Alemanha. Sua principal área de pesquisa é Sistemas de Controle.