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MANÔMETROS DE COLUNA - TÉCNICA

 

A Pressão é definida como sendo uma força por unidade de área – e a maneira mais precisa para medir a pressão baixa do ar é preenchendo uma coluna com líquido de peso conhecido e medir a altura do líquido na coluna após nivelada.  As unidades de medida comumente usadas são milímetros de mercúrio (mmhg), quando se usa mercúrio como fluido, e milímetros de água (H2O), quando se utiliza  água ou óleo como  fluido.

 

Os instrumentos que empregam este princípio chamam-se manômetros. O tipo mais simples de manômetro é o básico e conhecido manômetro de coluna em U (Fig.2-1). Este dispositivo indica a diferença entre duas pressões (pressão diferencial), ou a diferença entre uma única pressão e a atmosfera (pressão manométrica), quando um lado da coluna está aberto para a atmosfera. 

 

Se uma coluna em U estiver preenchida com água até a metade e a pressão do ar for exercida em um de seus lados, o fluido (neste caso a água) irá se deslocar.  Desta forma a água em um dos lados da coluna irá subir e no outro lado irá baixar. A diferença em altura “h” que é a soma das leituras, acima e abaixo do ponto médio, indica a pressão em milímetros ou polegadas de coluna d’água.

 

O manômetro de coluna em U é um padrão primário porque a diferença em altura entre as duas colunas é sempre a indicação pura e simples da pressão sem considerar o diâmetro interno da coluna. Este princípio torna o manômetro flexível Slack-Tube® distribuído pela Hygro-Therm tão preciso quanto um instrumento de laboratório.  Por esta razão o manômetro flexível Slack-Tube® é o instrumento ideal para alguém que precisasse embarcar em um avião carregando um manômetro de  coluna em U em vidro rígido medindo um metro e meio de comprimento.

 

 

VARIAÇÕES NOS PROJETOS DOS MANÔMETROS

 

Para atingir os requisitos de leituras da coluna em U em dois diferentes lugares, desenvolveu-se o projeto do manômetro tipo poço.  (Veja Fig.2-4). O reservatório (poço) pode ser fabricado com espaço suficiente para que a mudança de nível no reservatório possa ser desprezada, ou para que a escala possa ser compensada em função da mudança de nível do líquido dentro do reservatório. Para tornar os instrumentos ainda mais práticos, os manômetros tipo poço distribuídos pela Hygro-Therm apresentam um poço oco que requer aproximadamente 10% de correção da escala para efeito de capacidade do reservatório, evitando desta forma um tanque excessivamente grande e volumoso.

 

Para aprimorar e aumentar a facilidade de leitura, certos manômetros tipo coluna em U e tipo poço, distribuídos pela Hygro-Therm, são disponíveis com fluido indicador de óleo manométrico de cor vermelha com peso específico de 0,826 e escalas compensadas, proporcionando leituras de pressão diretamente em milímetros ou polegadas de água. Para aprimorar ainda mais a legibilidade e a sensibilidade, a coluna de indicação do manômetro tipo poço é inclinada, como na Fig. 3-1, para causar um movimento linear maior ao longo da coluna para uma determinada diferença de pressão. O manômetro de coluna inclinada é geralmente chamado de manômetro de fornalha (DRAFT GAGE) porque é usado muito freqüentemente para determinar o registro de excesso de calor em tiragem de caldeiras e chaminés.

 

Para que um manômetro inclinado seja considerado um instrumento primário é preciso que a coluna inclinada seja reta e uniforme.  A construção de alta tecnologia da Dwyer, usinada em plástico sólido, tem sido aplicada em uma linha básica de manômetros resistentes, inclinados e inclinado-verticais, os quais são aceitos pela indústria como instrumentos primários.  Observe o comentário a seguir.

 

A combinação de um manômetro inclinado com um manômetro vertical é muito útil na determinação do movimento do ar. Veja a Fig. 3-2.  Para medição da velocidade do ar, costuma-se usar uma escala inclinada, geralmente até 1” C.A. (a velocidade da pressão de 1” C.A. é igual a 4.000 pés por minuto).  No Manômetro Inclinado-Vertical Durablock®, distribuído pela Hygro-Therm, esta escala é combinada com uma seção vertical, permitindo leituras de pressões altas, usualmente de 1” CA até 5 a 10” CA.  A seção vertical é usada primordialmente para determinar a  pressão estática acima da faixa da seção inclinada.

 

Existem muitos tipos de manômetros para finalidades específicas.  Por exemplo, os Manômetros Hook Gage e os Microtector® distribuídos pela Hygro-Therm.  São manômetros simples de tubo em U, modificados para que o nível do líquido possa ser lido com o uso de um micrômetro, embora mantendo a base “física” primária padrão do manômetro hidrostático de tubo em U.  Leituras com precisão de até ± 0,001” CA em uma faixa de pressões diferenciais a partir de 0 a 24” CA são obtidas com o Manômetro Hook Gage Modelo 1425-24 distribuído pela Hygro-Therm.  O Manômetro Microtector® incorpora modernos componentes eletrônicos para incrementar a precisão das leituras até ± 0,00025” CA em uma escala de 2” CA.   

 

 Fig. 2-1. Em sua forma mais simples, o manô -metro é um tubo em U, preenchido com líquido até aproximadamente a sua metade. Com ambas as extremidades do tubo abertas, o líquido permanece à mesma altura em cada perna do U.

                              

 

Fig. 2-2.  Quando uma pressão positiva é aplicada a uma perna do U, o líquido é forçado a baixar nesta perna e a subir na outra perna.  A diferença “h” entre essas duas alturas do líquido, que é a soma das leituras acima e abaixo do zero, indica a pressão.   

Fig. 2-3.  Quando for aplicado vácuo a uma perna do U, o líquido sobe nesta perna, descendo na outra.  A diferença “h” entre as duas alturas, que é a soma das leituras acima e abaixo do zero,  indica a quantidade de vácuo.                             

         

 

Fig. 2-4.  À esquerda, pressões iguais são aplicadas ao fluido no reservatório e no tubo indicador com escala graduada.  A leitura é zero.  À direita, uma pressão positiva foi imposta ao fluido no reservatório, provocando uma descida muito lenta do nível, ao passo que no tubo indicador o nível do líquido subiu substancialmente.  A leitura é feita diretamente na escala, no nível do líquido no tubo indicador.  A escala foi compensada pela queda do nível no reservatório.   

 

 

Fig. 2-5.  Parte da escala de um Manômetro Inclinado Modelo 250.5, em plástico sólido, fornecido pela Hygro-Therm, exibida em tamanho natural.  A leitura livre de paralaxe é obtida pelo alinhamento do menisco com sua reflexão na escala polida.  

 

Fig. 3-1. À esquerda, pressões iguais são impostas ao líquido no reservatório e no tubo indicador.  A leitura é zero.  À direita, foi imposta uma pressão positiva ao líquido no tubo indicador, empurrando-o para baixo, para um ponto na escala igual à pressão aplicada.  O nível do líquido no reservatório sobe na mesma proporção. A inclinação do tubo indicador deu abertura à escala para permitir uma leitura mais precisa da pressão.

 

Fig. 3-2.  À esquerda, pressões iguais foram aplicadas ao líquido no reservatório e no tubo indicador, o nível do líquido abaixou no tubo e subiu levemente no reservatório. A leitura é direta uma vez que a escala é compensada pela mudança do nível no reservatório.

 

 

 

 

FATORES QUE AFETAM O DESEMPENHO E O USO DO MANÔMETRO

 

Embora o princípio básico do manômetro de preenchimento hidrostático seja inerentemente 100% exato, há fatores que podem afetar a medição real da pressão obtida. Projeto e construção cuidadosos, juntamente com o uso adequado, podem eliminar ou reduzir em grande parte o efeito desses fatores. 

 

CARACTERÍSTICAS DO FLUIDO MANOMÉTRICO

 

Nenhum manômetro pode ser lido com precisão maior do que a precisão conhecida do peso específico do fluido que estiver sendo usado. O fluido deve possuir boas características de “umedecimento” bem como ser capaz de formar um menisco consistente e bem delineado no tubo graduado para possibilitar leituras precisas e repetíveis.

 

O fluido usado também afeta a faixa de operação do manômetro. O mercúrio, possuindo 13,6 vezes o peso da água, irá mover 1/13,6 da distância que a água se moverá em resposta a uma determinada pressão.  O óleo manométrico disponível na Hygro-Therm, com peso específico de 0,826, por ser mais leve do que a água, irá se mover cerca de 1,2 vezes mais longe na escala do que a água em resposta a uma determinada pressão. Isso, obviamente, expande a escala para uma leitura mais fácil e mais precisa. 

 

Os manômetros de tubo em U e os manômetros tipo poço, disponíveis na Hygro-Therm, são fornecidos com escala em milímetros ou polegadas para uso com água ou mercúrio ou com escalas ajustadas para uso com óleo manométrico de peso específico de 0,826.  Os manômetros verticais, em plástico sólido, bem como os inclinados e inclinado-verticais, também disponíveis na Hygro-Therm, são usados com óleo manométrico.

 

Os óleos manométricos coloridos, fornecidos pela Hygro-Therm, são óleos estáveis à base de petróleo com peso específico cuidadosamente controlado, o que proporciona um excelente e consistente menisco de alta visibilidade.  Os manômetros para uso com água são fornecidos com um concentrado verde fluorescente que, adicionado à água, funciona como um agente umectante e uma tintura para aumentar a consistência e a visibilidade do menisco, tornando a leitura mais fácil e precisa.

 

LEGIBILIDADE.  Como pudemos observar, inclinando o tubo milimetrado e a escala do manômetro, o uso de fluidos manométricos de baixo peso específico, bem como o uso de fluidos que proporcionam um menisco uniforme e bem definido, facilitam a exatidão da leitura.  As escalas devem ser claras, nítidas, precisas e de fácil leitura.  Quanto à precisão, é essencial que as leituras sejam feitas com a linha de visão  perpendicular à coluna contendo o fluido para eliminar erros de paralaxe. 

 

Os manômetros em plástico sólido, fornecidos pela Hygro-Therm, asseguram leituras isentas de paralaxe devido ao uso de escalas fabricadas em alumínio polido, impressas em silkscreen, as quais refletem a imagem do menisco com absoluta exatidão. Quando o menisco e sua reflexão são alinhados, a linha de visão está perpendicular à coluna de  fluido no ponto em que se encontra o menisco, assegurando uma leitura precisa.  Os orifícios centrais da coluna são esmeradamente usinados para aumentar a visibilidade do menisco.

 

NIVELAMENTO. Leituras precisas em manômetros inclinados e inclinado-verticais requerem que a porção inclinada da escala esteja em ângulo perfeito para a finalidade que foi projetado. Todos os manômetros inclinados e inclinado-verticais em plástico sólido fornecidos pela Hygro-Therm são equipados com sensíveis níveis de bolha para atender a esta exigência de nivelamento. A maioria deles possui ainda um ajustador de nível do tipo parafuso.

 

FATORES NO PROJETO E NA FABRICAÇÃO QUE AFETAM A PRECISÃO DOS MANÔMETROS INCLINADOS

 

  1. “Capacidade do Reservatório” (proporção entre a área do reservatório e a área do tubo indicador).  Como o líquido pode subir ou descer no interior do tubo indicador graduado, o nível do líquido irá descer ou subir no interior do reservatório na mesma proporção e a escala precisa ser conseqüentemente compensada.  Imperfeições nos diâmetros do reservatório  ou do tubo indicador poderão gerar erros nesta compensação.  Em instrumentos com tubo de vidro esse erro só pode ser minimizado ou por uma grande proporção entre o reservatório e a área do tubo, ou pela utilização de tubos com orifícios de precisão ou por ambos.  Nos manômetros projetados em plástico sólido a utilização de técnicas precisas de usinagem de até 0,0002” para reservatórios e orifícios de indicação reduz esse erro à insignificância. 

 

  1. Alinhamento dos Orifícios Centrais dos Tubos de Indicação.  Eis aqui um problema com tubos de vidro. Mesmo em tubos de vidro dotados de orifícios centrais precisos, a concentricidade entre os diâmetros interno e externo é difícil de ser controlada.  Adicionalmente, há a questão da sustentação do tubo por seu diâmetro externo em perfeita linearidade com seu diâmetro interno. O erro causado por este fator é de grande magnitude, daí a importância da qualidade deste detalhe  específico do tubo com orifício central de precisão, sendo também importante a maneira como o tubo é montado.  As variações de precisão de um instrumento para outro e, em um instrumento em particular durante um certo período de tempo, podem ser previstas com antecedência se o instrumento sofrer algum tipo de batida ou torção durante o uso. Por outro lado, os orifícios centrais dos tubos de indicação de até 24” de comprimento nos manômetros Dwyer em plástico sólido são alinhados até 0,002” ao longo de seu comprimento.  É importante também notar que, no projeto Dwyer de um  bloco sólido maciço em plástico acrílico, esta tolerância é muito importante permanecendo durante toda a vida útil do instrumento.

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