Um dos primeiros instrumentos de medição de pressão ainda hoje é largamente utilizado devido à sua inerente precisão e simplicidade de operação. É o manômetro do tubo em U, que é um tubo de vidro em forma de U parcialmente preenchido com líquido. Este manômetro não tem partes móveis e não requer calibração. As medições manométricas são funções da gravidade e da densidade do líquido, ambas propriedades físicas que fazem do manômetro do tubo em U um padrão NIST para precisão.
Manômetros são tanto instrumentos de medição de pressão quanto padrões de calibração. Eles variam desde simples tubos em U e poços cheios de líquido até instrumentos digitais portáteis com interface para computador.
Como mostrado na Figura 1, com cada perna de um manómetro de tubo em U exposto à atmosfera, a altura do líquido nas colunas é igual. Usando este ponto como referência e ligando cada perna a uma pressão desconhecida, a diferença nas alturas das colunas indica a diferença nas pressões (ver Figura 2).
 Figure 1. Com ambas as pernas de um manómetro de tubo em U aberto para a atmosfera ou sujeito à mesma pressão, o líquido mantém o mesmo nível em cada perna, estabelecendo uma referência zero. |
 Figure 2. Com uma pressão maior aplicada no lado esquerdo de um manómetro de tubo em U, o líquido baixa na perna esquerda e sobe na perna direita. O líquido se move até que o peso unitário do líquido, como indicado por h, equilibra exatamente a pressão. |
A relação fundamental para a pressão expressa por uma coluna de líquido é:
| Δp = P2-P1 = ρgh | (1) |
em qualquer lugar:
| Δp | = pressão diferencial |
| >P1 | = pressão na conexão de baixa pressão |
| P2 | = pressão na conexão de altaconexão de pressão |
| ρ | = densidade do fluido indicador (a uma temperatura específica) |
| g | = aceleração da gravidade (a uma latitude e elevação) |
| h | = diferença nas alturas das colunas |
A pressão resultante é a diferença entre as forças exercidas por unidade de área de superfície das colunas líquidas, com libras por polegada quadrada (psi) ou newtons por metro quadrado (pascals) como as unidades. O manómetro é tão frequentemente utilizado para medir a pressão que a diferença nas alturas das colunas é também uma unidade comum. Isto é expresso em polegadas ou centímetros de água ou mercúrio a uma temperatura específica, que pode ser alterada para unidades de pressão padrão com uma tabela de conversão.
Todas as medições de pressão são diferenciais. A referência pode ser zero pressão absoluta (um vácuo total), pressão atmosférica (a pressão barométrica), ou outra pressão. Com uma perna de um manômetro aberta para a atmosfera (ver Figura 3A), a pressão medida é aquela que excede a pressão atmosférica, que ao nível do mar é de 14,7 psi, 101,3 kPa, ou 76 cmHg.
Figure 3. A pressão manométrica é uma medida relativa à pressão atmosférica e varia com a leitura barométrica. Uma medida de pressão manométrica é positiva quando a pressão desconhecida excede a pressão atmosférica (A), e é negativa quando a pressão desconhecida é inferior à pressão atmosférica (B).
Esta medida é chamada de pressão manométrica, e a relação para uma pressão positiva é expressa por:
| pressão absoluta = pressão atmosférica + pressão manométrica positiva | (2) |
Para uma medida de pressão negativa (vácuo) (ver Figura 3B), a altura da coluna é invertida e a relação é expressa por:
| pressão absoluta = pressão atmosférica + pressão manométrica negativa | (3) |
Estas relações de pressão são mostradas na Figura 4.
Figure 4. Uma representação gráfica da pressão manométrica positiva e negativa mostra o aspecto diferencial de todas as medições de pressão, onde a pressão manométrica é a diferença entre a pressão absoluta e a pressão atmosférica.
Figure 5. Em um manômetro de tubo selado, a referência de pressão é um vácuo, ou pressão absoluta zero. A forma mais comum de um manômetro de tubo selado é o barômetro de mercúrio convencional usado para medir a pressão atmosférica.
Um manômetro pode ser projetado para medir diretamente a pressão absoluta. O manômetro na Figura 5 mede a pressão em comparação com a pressão absoluta zero em uma perna selada acima de uma coluna de mercúrio. A forma mais comum deste manômetro é o barômetro de mercúrio convencional utilizado para medir a pressão atmosférica. Com apenas uma conexão, esta configuração pode medir pressões acima e abaixo da pressão atmosférica.
Variações no Manômetro do Tubo U
A pressão diferencial é sempre a diferença nas alturas das colunas, independentemente do tamanho ou forma dos tubos. Como mostrado na Figura 6A, as pernas de ambos os manômetros estão abertas para a atmosfera e os fluidos indicadores estão no mesmo nível. A ligação da mesma pressão à perna esquerda de cada manómetro faz com que o seu nível baixe. Devido à variação de volume nas pernas do manômetro, o fluido em cada coluna se move a uma distância diferente. Contudo, a diferença entre os níveis de fluido em ambos os manómetros é idêntica (ver Figura 6B).
Figure 6. A leitura da pressão é sempre a diferença entre as alturas dos fluidos, independentemente do tamanho do tubo. Com ambas as pernas do manômetro abertas para a atmosfera, os níveis de fluido são os mesmos (A). Com uma pressão positiva igual aplicada a uma das pernas de cada manômetro, os níveis de fluido diferem, mas a distância entre as alturas do fluido é a mesma.
Figure 7. Num manómetro do tipo poço, a área da secção transversal de uma perna (o poço) é muito maior do que a outra perna. Quando é aplicada pressão no poço, o fluido baixa apenas ligeiramente em comparação com a subida do fluido na outra perna.
Carregar esta variação no tamanho do tubo é o manômetro do tipo poço (ou reservatório) (ver Figura 7). Como a pressão é aplicada no poço, o nível cai ligeiramente em comparação com a elevação do nível na coluna. Compensando as graduações de escala da coluna para corrigir a queda do poço, é possível fazer uma leitura direta da pressão diferencial. Há diretrizes de conexão colocadas em manômetros do tipo poço, em comparação com o estilo do tubo em U:
- Conecte pressões mais altas que as atmosféricas ao poço; conecte pressões mais baixas que as atmosféricas ao tubo.
- Para medições diferenciais, conecte a pressão mais alta ao poço.
- Para manômetros de poços elevados, a conexão do poço pode ser usada para medições de manômetro e vácuo.
Uma variação do manômetro do tipo poço é o manômetro de tubo inclinado (ou manômetro de rascunho) na Figura 8. Com um tubo indicador inclinado, 1 pol. de um aumento vertical é esticado ao longo de vários centímetros de comprimento de escala. O manômetro de tubo inclinado tem melhor sensibilidade e resolução para baixas pressões.
Figure 8. Baixa pressão e baixos diferenciais são melhor manuseados com um manômetro de tubo inclinado, onde 1 pol. de altura de líquido vertical pode ser esticado até 12 pol. de comprimento de escala.
Indicating Fluids
Manómetros de líquidos medem a pressão diferencial equilibrando o peso de um líquido entre duas pressões. Líquidos leves como a água podem medir pequenas diferenças de pressão; mercúrio ou outros líquidos pesados são utilizados para grandes diferenças de pressão. Para um fluido indicador 3 vezes mais pesado que a água, a faixa de medição de pressão é 3 vezes maior, mas a resolução é reduzida.
Os fluidos indicadores podem ser água colorida, óleo, benzeno, brometos e mercúrio puro. Ao selecionar um fluido indicador, verifique as especificações para gravidade específica, faixa de temperatura de operação, pressão de vapor e ponto de fulgor. As propriedades corrosivas, solubilidade e toxicidade também são considerações.
Manômetros Digitais
Um manômetro líquido tem limitações. Tubos de vidro, indicando fluidos, e requisitos de montagem de nível são mais adequados para um laboratório do que para o campo. Além disso, ele não pode ser interfaceado com um computador ou CLP. Tais limitações podem ser superadas com manômetros digitais. Estes instrumentos baseados em microprocessadores estão disponíveis em tamanhos convenientes e portáteis para facilitar o uso no campo, ou em estilos de montagem em painel ou isolados, com saídas para controlar um processo ou transferir dados de medição.
Variações das condições padrão de densidade e gravidade devem ser compensadas manualmente ao fazer medições de pressão com manômetros de líquidos. Isto é mais fácil com manômetros digitais, porque alguns dos fatores de correção para manômetros líquidos podem ser ignorados e outros podem ser compensados no software.
Com portas duplas, a troca de sensores é tudo o que é necessário para mudar entre as medidas de pressão diferencial, manométrica e absoluta.
Outras características comuns dos manômetros digitais incluem:
- Memória de bordo para registro de dados ou armazenamento de leituras mín./máx.
- Média de um número de leituras para amortecer pulsos de pressão
Manômetros digitais de maior precisão são usados para calibrar transmissores de pressão e outros instrumentos de pressão no campo. Os calibradores digitais são mais rápidos e simples, pois não requerem caixas, cilindros de gás, reguladores ou pesos para serem instalados e não possuem plataformas especiais ou requisitos de nivelamento críticos. Outras comparações de especificações de líquidos e manômetros digitais são mostradas na Tabela 1.
| TABLE 1 | |||||
| Especificações do manômetro | |||||
| Manômetros Líquidos | Manômetros Digitais | ||||
| U-tubo | Bem | Inclinado | Propósito Geral | Calibrador | |
| Alteração | 100 pol. | 100 in. | 20 pol. | 20-2000 em H2O, 20-2000 psig, 2000 mmHg |
2000 em H2O, 2000 psig, 2000 mmHg |
| Alcurácia | ±½ de graduação de escala menor | ±½ de graduação de escala menor | ±½ de graduação de escala menor | ±0.025-0,1% F.S. | ±0,025-0,1% F.S. |
| Peças molhadas ou Meios Compatibilidade |
Ferro fundido, aço inoxidável, PVC, vidro, Viton | Aço inoxidável, vidro, Viton | Acrílico, aço inoxidável, alumínio, vidro, Viton | Limpeza, gases não corrosivos secos; líquidos compatíveis com aço inoxidável | Limpar, gases não corrosivos secos; líquidos compatíveis com aço inoxidável |
| Pressão Classificação |
250 psig | 250-500 psig | 100-350 psig | 2 × intervalo | 2 × intervalo |
| Montagem | Muro, tabela | Muro, tabela, frente nivelada, tubo | Muro, tabela | Portátil | Portátil |
| Custo Relativo | Baixo | Baixo/médio | Medio | Medio | Alto |
Para Leitura Adicional
Massey, B.S. 1989. Mechanics of Fluids, 6ª edição, Londres: Van Nostrand Reinhold.
Meriam Instrumento. 1997. Using Manometers to Precisely Measure Pressure, Flow and Level, Cleveland: Meriam Instrument.
Meriam, J.B. 1938. O Manômetro e seus usos. 2ª Ed., Cleveland: Meriam Instrument.
Omega Engineering. 1999. Transações em Medição e Controle: Medições Relacionadas à Força, 2ª Edição. Stamford, CT: Putnam Publishing e Omega Press.
Yeager, John, and Hrusch-Tupta, M.A., Eds. 1998. Low Level Measurements. 5ª Edição. Cleveland: Keithley Instruments.
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SIDEBAR:
Manometer Pressure and Accuracy Glossary
Absolute Pressure. Uma medida referenciada à pressão zero; é igual à soma da pressão manométrica e da pressão atmosférica. As unidades comuns são libras por polegada quadrada (psia), milímetros de mercúrio (mmHga), e polegadas de mercúrio (in.Hga).
Acuracidade. Uma medida da proximidade de concordância de uma leitura com a de uma norma. Para precisão absoluta, compare com um padrão primário (um reconhecido pelo NIST). As precisões são normalmente especificadas como um percentual a mais ou a menos da escala completa. As precisões de calibração são frequentemente dadas como mais ou menos por cento da leitura com contagens mais ou menos.
Pressão de Ambiente. A pressão do meio que envolve um dispositivo. Varia de 29,92 in.Hg ao nível do mar a alguns centímetros em altitudes elevadas.
Pressão atmosférica. A pressão da atmosfera na superfície de uma unidade. Também chamada pressão barométrica. Ao nível do mar é de 29,92 em.Hg absoluto.
Contar. O menor incremento de uma conversão A/D que é exibida.
Pressão Diferencial. A diferença entre dois pontos de medição. Unidades comuns são polegadas de água (em.H2O), libras por polegada quadrada (psi), e milibares (mbar).
Resolução do display. O número máximo de dígitos em um display digital. Por exemplo, uma resolução de exibição de 4½ dígitos lê um máximo de 19.999 contagens; e uma resolução de exibição de 5 dígitos significativos lê um máximo de 99.999 contagens.
Pressão de manômetro. Uma medição referenciada à pressão atmosférica. Varia com a leitura barométrica. Também usada para especificar a pressão máxima nominal dos manómetros. As unidades comuns incluem libras por polegada quadrada (psig).
Avalo. A região entre os limites inferior e superior das medidas.
Resolução. A menor parte de uma medida que pode ser detectada.
Sensibilidade. A menor alteração na medição que pode ser detectada.
Incerteza. Uma estimativa do possível erro em uma medição. Isto é o oposto de precisão.
Vácuo. Qualquer pressão abaixo da pressão atmosférica. Quando referenciada à atmosfera, é chamada de medida de vácuo (ou manômetro negativo). Quando referenciada à pressão zero, é uma medição de pressão absoluta.
Zero Pressão Absoluta. A ausência completa de qualquer gás; um vácuo perfeito.
