Medição de pressão

miniatura|Verificação da pressão dos pneus com um manômetro de mola e pistão

Medição de pressão é a medição da pressão exercida por um fluido, líquido ou gás, sobre uma superfície. A pressão corresponde à força normal aplicada por unidade de área e costuma ser expressa em unidades de pascals no Sistema Internacional de Unidades (SI). Muitas técnicas foram desenvolvidas para medir pressão e vácuo. Instrumentos que medem e mostram a pressão por meios mecânicos são chamados de manômetros, vacuômetros ou manômetros compostos, estes últimos capazes de indicar pressões acima e abaixo da pressão atmosférica. O manômetro de Bourdon é um dos tipos mecânicos mais difundidos.

Um vacuômetro mede pressões inferiores à pressão atmosférica ambiente. Quando a pressão ambiente é tomada como referência zero, essas leituras são negativas. Em uma escala manométrica, sob pressão ambiente de aproximadamente 1 bar, uma indicação de −1 bar corresponde ao limite ideal do vácuo perfeito. Sob uma atmosfera padrão, esse mesmo limite corresponde a cerca de −760 mmHg. Para pressões muito baixas, costuma-se usar uma referência baseada no vácuo, produzindo uma leitura de pressão absoluta.

Outros métodos de medição usam sensores capazes de transmitir a leitura a um indicador remoto ou a um sistema de controle, por telemetria.

Pressões absoluta, manométrica e diferencial, referência de zero

miniatura|Manômetro para gás natural direita|miniatura|200px|Sensores de pressão piezorresistivos de silício

Medições de pressão comuns, como a dos pneus de um veículo, costumam ser feitas em relação à pressão do ar ambiente. Em outros casos, a referência é o vácuo ou uma pressão específica. Para distinguir essas referências de zero, usam-se os termos a seguir.

Pressão absoluta tem como zero o vácuo perfeito e usa uma escala absoluta. Ela é igual à pressão manométrica somada à pressão atmosférica. Sensores de pressão absoluta são usados quando é necessária uma referência fixa, como no monitoramento de bombas de vácuo, na medição de pressão de líquidos, em embalagens industriais, no controle de processos e em aplicações aeronáuticas. Pressão manométrica tem como zero a pressão do ar ambiente e é igual à pressão absoluta menos a pressão atmosférica. Um manômetro de pneus é um exemplo. Quando ele indica zero, a pressão medida é igual à pressão ambiente. Pressão diferencial é a diferença de pressão entre dois pontos. Sensores desse tipo medem, por exemplo, a queda de pressão através de filtros de óleo ou filtros de ar, o nível de um fluido pela comparação das pressões acima e abaixo do líquido, ou a vazão a partir da diferença de pressão através de uma restrição. Tecnicamente, um sensor manométrico pode ser tratado como um sensor diferencial no qual uma das entradas está aberta à atmosfera. Uma célula de pressão diferencial mede diretamente a diferença entre duas entradas.

A referência de zero costuma ficar implícita no contexto e esses termos são acrescentados quando é preciso esclarecer. A pressão dos pneus e a pressão arterial são, por convenção, pressões manométricas, ao passo que a pressão atmosférica, pressões de alto vácuo e pressões empregadas em certos cálculos de altímetros são expressas como absolutas.

Na maioria dos fluidos de trabalho em sistemas fechados, é comum medir a pressão em relação à atmosfera. Instrumentos ligados ao sistema indicam então a diferença entre a pressão interna e a pressão atmosférica do momento. Em alto e ultra-alto vácuo, a pressão absoluta é mais útil.

Pressões diferenciais são comuns em sistemas industriais de processo. Manômetros diferenciais têm duas entradas, cada uma ligada a um dos volumes cuja pressão será comparada. O instrumento efetua a subtração entre as pressões mecanicamente ou por meio do transdutor, dispensando duas leituras independentes.

Leituras moderadas de vácuo podem ser ambíguas sem contexto, pois uma mesma condição pode ser expressa como pressão absoluta ou como pressão manométrica negativa. Uma pressão manométrica de −88 kPa, por exemplo, corresponde a aproximadamente 13 kPa absolutos se a pressão atmosférica local for 101 kPa.

Ao nível médio do mar, a pressão atmosférica típica é próxima de 100 kPa, mas varia com a altitude e o tempo meteorológico. Se a pressão absoluta de um fluido permanecer constante, sua pressão manométrica mudará quando a pressão atmosférica mudar. Quando um automóvel sobe uma montanha, por exemplo, a pressão manométrica dos pneus tende a aumentar se a pressão absoluta no pneu mudar pouco, porque a pressão atmosférica externa diminui.

Quando a pressão atmosférica é usada como referência, às vezes se acrescenta um qualificador à grandeza medida. Há dois arranjos comuns de referência manométrica: ventilado e selado.

Um transmissor de pressão com referência ventilada deixa o ar externo atuar sobre o lado de referência do diafragma sensor por meio de um orifício ou cabo ventilado. Assim, mede a pressão em relação à pressão barométrica ambiente. Se a conexão do processo também for aberta para o ar, a indicação deve ficar próxima de zero, dentro dos limites de ajuste e incerteza do instrumento.

Uma referência manométrica selada é semelhante, mas a pressão de referência fica aprisionada no lado oposto do diafragma. Esse arranjo pode ser usado em faixas elevadas de pressão, nas quais as variações normais da pressão atmosférica representam uma parcela pequena da faixa de medição. A vedação também pode integrar sistemas de contenção secundária caso a pressão admissível do diafragma sensor seja excedida.

Outra construção usa uma cavidade evacuada no lado de referência. Nesse caso, o dispositivo se aproxima de um sensor absoluto, e sua saída é ajustada de acordo com a aplicação.

Um transdutor de referência selada não acompanha exatamente as variações da atmosfera porque sua pressão de referência foi fixada durante a fabricação.

Para produzir um sensor de pressão absoluta, uma cavidade de referência de baixa pressão é selada atrás do elemento sensor. Se a conexão de processo de um transmissor absoluto ficar aberta ao ar, sua indicação corresponde à pressão barométrica dentro da incerteza do instrumento.

História miniatura|100px|Símbolo usado em desenhos técnicos Durante grande parte da história, a pressão dos gases não foi entendida da forma usada pela física posterior. No século VI a.C., o filósofo grego Anaxímenes, de Mileto, sustentou que todas as coisas provinham do ar e que a matéria mudava por rarefação e condensação. Em seu esquema, a condensação produzia formas mais densas e frias, enquanto a rarefação produzia formas mais leves e quentes.

No século XVII, Evangelista Torricelli realizou experimentos com mercúrio que permitiram medir a pressão do ar. Ele enchia um tubo de vidro fechado em uma extremidade com mercúrio, invertia-o sobre um recipiente também cheio de mercúrio e mantinha a extremidade aberta submersa. A coluna descia até que seu peso fosse equilibrado pela pressão atmosférica, deixando na parte superior do tubo uma região de pressão muito baixa. Galileu Galilei havia discutido pouco antes problemas relacionados à elevação de água por bombas, mas não chegou à explicação correta baseada na pressão atmosférica. Torricelli construiu o primeiro barômetro de mercúrio e reconheceu que a coluna era sustentada pela pressão do ar.

Em uma carta a Michelangelo Ricci, em 1644, Torricelli escreveu:

"Vivemos submersos no fundo de um oceano do elemento ar, que por experiências incontestáveis se sabe ter peso."

A experiência ficou conhecida como experiência de Torricelli.

Blaise Pascal prosseguiu com o estudo e fez com que a experiência fosse repetida em diferentes altitudes. As medições mostraram pressão menor em maiores altitudes, confirmando que a altura da coluna de mercúrio dependia da pressão atmosférica.

Unidades + Algumas unidades de pressão Unidade Relação com o pascal 1 Pa ≡ 1 N/m² 1 bar = 100.000 Pa 1 atm = 101.325 Pa 1 mmHg ≈ 133,322 Pa 1 torr ≈ 133,322 Pa 1 kgf/cm² ≈ 98.066,5 Pa

miniatura|Manômetro com escala em kPa e uma escala não SI adicional

A unidade de pressão do SI é o pascal (Pa), igual a um newton por metro quadrado (N·m−2 ou kg·m−1·s−2). O nome especial da unidade foi adotado em 1971. Antes disso, a pressão no SI era expressa em unidades como N·m−2. Quando necessário, a referência de zero pode ser indicada junto da grandeza. O NIST recomenda que qualificadores como absoluto, manométrico ou diferencial sejam aplicados ao nome ou símbolo da grandeza e não ao símbolo da unidade.

Como a pressão pode ser medida pelo deslocamento de uma coluna líquida, especialmente em manômetros de mercúrio, ainda é comum expressá-la pela altura de um fluido específico, como milímetros de mercúrio ou centímetros de água. A medição desse tipo está relacionada à carga de pressão. Os fluidos mais usados são mercúrio e água. A água não é tóxica e é facilmente disponível, enquanto a elevada densidade do mercúrio permite uma coluna mais curta para uma mesma diferença de pressão.

A densidade do fluido e a gravidade local podem variar de uma medição para outra. A altura física de uma coluna, sozinha, não define a pressão com plena precisão sem condições de referência. Medidas em milímetros de mercúrio podem ser relacionadas ao SI por conversão de unidades a partir de definições convencionais. A temperatura altera a densidade dos líquidos e a localização altera ligeiramente a gravidade terrestre.

Embora muitas unidades manométricas não sejam preferidas no SI, ainda são usadas em campos específicos. A pressão arterial é medida em milímetros de mercúrio em grande parte do mundo. A pressão venosa central e certas pressões respiratórias são frequentemente expressas em centímetros de água, como também ocorre em ajustes de aparelhos de CPAP. Pressões baixas em tubulações de gás também podem ser expressas por altura de coluna de água.

No mergulho, a pressão ambiente pode ser expressa em metros de água do mar (msw), unidade convencional definida como um décimo de bar. Essa unidade é usada em tabelas de descompressão e na calibração de pneumofatômetros e manômetros de câmaras hiperbáricas.

Em sistemas de vácuo, são comuns o torr e o chamado mícron, isto é, o micrômetro de mercúrio. O torr equivale a aproximadamente 133,322 Pa.

Pressões atmosféricas costumam ser dadas em hectopascals (hPa), quilopascals (kPa), milibares (mbar) ou atmosferas (atm). Tensão mecânica não é uma pressão escalar em sentido geral, pois a tensão em um sólido é representada por um tensor. No sistema CGS de unidades, a unidade de pressão era a baria (Ba), igual a 1 dyn·cm−2. No antigo sistema metro-tonelada-segundo, usava-se o pieze, igual a um sthene por metro quadrado.

Outras unidades não SI, como grama-força por centímetro quadrado ou quilograma-força por centímetro quadrado, também aparecem em fontes técnicas. O SI usa o newton (N) como unidade de força.

Pressão estática e dinâmica A pressão estática em um fluido em repouso não depende da orientação do elemento sensor. Em um escoamento existe também uma grandeza associada à energia cinética por unidade de volume, a pressão dinâmica. Uma tomada que leva o fluido ao repouso mede a pressão total ou de estagnação. Em escoamento incompressível e sem perdas entre os pontos considerados, a pressão total é a soma das pressões estática e dinâmica.

Na instrumentação pitot-estática, a pressão dinâmica é obtida como a diferença entre a pressão total e a estática. Essa diferença permite determinar a velocidade do escoamento. Um tubo pitot-estático, por exemplo, usa esse princípio em aeronaves. A presença do instrumento perturba o escoamento, por isso sua geometria, posição e calibração afetam a medição.

Medição de pressão

Fuente y licencia