Manômetros de Precisão para Aplicações Industriais e de Segurança

Contexto

Muitos processos no mundo moderno envolvem medição e controle de sistemas de líquidos e gases pressurizados. Este monitoramento reflete certos critérios de desempenho que devem ser controlados para produzir os resultados desejáveis do processo e garantir sua operação segura. Caldeiras, refinarias, sistemas de água e sistemas de gás comprimido são apenas algumas das muitas aplicações para manômetros.

O instrumento mecânico de indicação de pressão, ou manômetro, consiste de um elemento elástico de pressão; um meio de conexão roscado chamado "socket" (soquete); um mecanismo de engrenagem setor e pinhão chamado "movimento"; e a caixa protetora, mostrador e conjunto de lente de visualização. O elemento elástico de pressão é o componente que efetivamente se desloca ou move devido à influência da pressão. Quando devidamente projetado, este elemento de pressão é altamente preciso e repetível. O elemento de pressão é conectado ao mecanismo de "movimento" engrenado, que por sua vez gira um ponteiro ao longo de um mostrador graduado. É a posição do ponteiro relativa às graduações que o observador usa para determinar a indicação de pressão.

O design de manômetro mais comum foi inventado pelo industrial francês Eugène Bourdon em 1849. Utiliza design de tubo curvo como elemento sensor de pressão. Um design menos comum de elemento de pressão é o tipo diafragma ou disco, que é especialmente sensível em pressões mais baixas. Este artigo focará no manômetro de tubo Bourdon.

Design

Num manômetro de tubo Bourdon, um tubo mola oco em forma de "C" é fechado e selado em uma extremidade. A extremidade oposta é firmemente selada e ligada ao soquete, o meio de conexão roscado. Quando o meio de pressão (como ar, óleo ou água) entra no tubo através do soquete, a diferença de pressão do interior para o exterior faz o tubo mover. Pode-se relacionar este movimento ao desenrolar de uma mangueira quando pressurizada com água, ou ao apito de festa que desenrola quando se sopra ar nele. A direção deste movimento é determinada pela curvatura do tubo, com o raio interno sendo ligeiramente menor que o externo. Uma quantidade específica de pressão faz a forma "C" abrir-se, ou esticar, uma distância específica. Quando a pressão é removida, a natureza de mola do material do tubo retorna o tubo à sua forma original e a ponta à sua posição original relativa ao soquete.

Matérias-Primas

Tubos de manômetros são feitos de muitos materiais, mas o fator de design comum para estes materiais é a adequação para têmpera de mola. Esta têmpera é uma forma de tratamento térmico. Faz o metal reter de perto sua forma original enquanto permite flexão ou "elasticidade" sob carga. Quase todos os metais têm algum grau de elasticidade, mas a têmpera de mola reforça essas características desejáveis. Cobre-berílio, bronze fosforoso e várias ligas de aço e aço inoxidável todos fazem excelentes tubos Bourdon. O tipo de material escolhido depende de suas propriedades de corrosão em relação ao meio do processo (água, ar, óleo, etc). Aço tem vida útil limitada devido à corrosão mas é adequado para óleo; ligas de aço inoxidável adicionam custo se resistência à corrosão específica não for requerida; e cobre-berílio é geralmente reservado para aplicações de alta pressão. A maioria dos manômetros destinados para uso geral de ar, óleo leve ou água utilizam bronze fosforoso. A faixa de pressão dos tubos é determinada pela espessura da parede do tubo e pelo raio de curvatura. Projetistas de instrumentos devem usar design preciso e seleção de material, porque exceder o limite elástico destruirá o tubo e a precisão será perdida.

O soquete é geralmente feito de latão, aço ou aço inoxidável. Manômetros leves às vezes usam alumínio, mas este material tem serviço de pressão limitado e é difícil de unir ao tubo Bourdon por solda ou brasagem. Extrusões e formatos de barra laminada são os mais comumente usados.

O mecanismo de movimento é feito de policarbonato reforçado com vidro, latão, prata-níquel ou aço inoxidável. Qualquer que seja o material usado, deve ser estável e permitir montagem sem atrito. Latão e combinações de latão e policarbonato são os mais populares.

Para proteger o tubo Bourdon e o movimento, a montagem é encerrada dentro de uma caixa e lente de visualização. Um mostrador e ponteiro, usados para fornecer ao observador a indicação de pressão, são feitos de quase todos os metais básicos, vidro e plásticos. Alumínio, latão e aço, bem como policarbonato e polipropileno fazem excelentes caixas e mostradires. A maioria das lentes é feita de policarbonato ou acrílico, preferidos sobre vidro por razões óbvias de segurança. Para aplicações de serviço severo, a caixa é vedada e preenchida com glicerina ou fluido de silicone. Este fluido amortece o tubo e o movimento contra danos de impacto e vibração.

Após o tubo Bourdon ser feito, sua extremidade fechada é fixada ao soquete por solda, brasagem ou soldagem. A extremidade livre do tubo Bourdon é precisamente localizada durante esta operação de montagem, e então selada, geralmente pelos mesmos meios usados para unir o tubo ao soquete.
Uma vez que a montagem do tubo Bourdon e soquete está segura, a ponta da extremidade não suportada do 'C' é fixada a uma peça terminal. Esta peça contém um pequeno furo que conecta a ponta ao mecanismo de movimento engrenado. Os outros componentes — o movimento, ponteiro e mostrador — são então montados sobre o soquete como um grupo.

O Processo de Fabricação

Fabricação do Tubo Bourdon

• 1 O tubo Bourdon é a parte mais importante do instrumento. O tubo pode ser feito de barra maciça sólida perfurando o comprimento ao diâmetro interno desejado e torneando o diâmetro externo num torno para atingir a espessura de parede apropriada. No entanto, a maioria dos manômetros de uso geral utiliza tubos pré-formados comprados de fornecedor de metais. O construtor do manômetro especifica a espessura de parede desejada, material, configuração e diâmetro. O fornecedor fornece o material em comprimentos de 3 a 3,65 metros (10 a 12 pés), prontos para produção.
• 2 A maioria dos fabricantes tem métodos de laminação proprietários rigorosamente guardados para laminar o tubo na forma de "C". A forma de "C" do tubo é geralmente formada numa máquina de laminação automática. Esta máquina contém dois rolos de precisão acionados, através dos quais o tubo passa. Um rolo agarra a extremidade do tubo e forma o raio interno, enquanto o outro fornece pressão externa para manter contato uniforme com o tubo. Cada rolo contém um sulco que se encaixa ao redor do exterior do tubo; estes sulcos permitem que o tubo mantenha sua forma circular em vez de ser achatado. No processo de laminação, um mandril de aço — uma barra que guia o tubo nos rolos e ajuda a manter sua forma — é primeiro inserido pela extremidade livre do tubo e posicionado logo antes dos rolos. Este mandril lubrificado tem a forma interior oval desejada. O tubo então passa sobre o mandril e entre os rolos. Um rolo contém um grampo que agarra o tubo; à medida que o rolo gira, puxa o tubo e dobra-o na forma de "C".
• 3 O mesmo rolo que agarra e dobra o tubo também contém uma lâmina de serra. À medida que o rolo continua girando após criar a dobra, a lâmina de serra nele corta o tubo no comprimento adequado. O tubo é então tratado termicamente em fornos.

Outros Componentes

• 4 O soquete é basicamente um bloco de metal que serve como conector à fonte do meio de pressão; suporte para a caixa, mostrador e movimento; e como slot de fixação para o tubo Bourdon. Uma extremidade do soquete é roscada, o que permite aparafusá-lo no aparelho fornecedor de pressão. O soquete pode ser fundido, forjado, extrudado ou usinado de barra maciça. A maioria dos soquetes é feita em centros de usinagem automatizados que torneiam, furam, fresam e roscam tudo num único ciclo. Práticas gerais de usinagem aplicam-se à maioria da fabricação de soquetes.
• 5 Movimentos são mecanismos engrenados que contêm pinhão (eixo rotativo), setor, placas de suporte, mola espiral e colunas espaçadoras. O mecanismo converte o deslocamento algo linear da ponta do Bourdon em movimento rotativo, bem como fornece meio para ajuste de calibração. O ponteiro é fixado ao eixo rotativo, ou pinhão, e varre o mostrador graduado indicando a quantidade de pressão. A maioria dos movimentos é fornecida ao construtor do manômetro pronta para uso. Muitos tipos de processos de fabricação são usados para produzir os componentes do movimento, e a qualidade do trabalho do mecanismo assemelha-se a um mecanismo de relógio quando concluído.
• 6 A caixa, mostrador e ponteiro podem ser estampagens de chapa metálica, moldagens plásticas ou fundições. Estampagens e moldagens requerem pouco processamento adicional, mas fundições requererão alguma usinagem — aparar material excedente, por exemplo — para atender aos requisitos finais. Estes componentes são pintados conforme necessário, e os mostradires são impressos com a arte apropriada. Prática comum de impressão, utilizando métodos offset e diretos, é usada. A lente mais comumente é peça plástica feita por moldagem por injeção, onde o plástico é aquecido a estado fundido e então vertido num molde da forma desejada. O recurso de fixação que prende e veda a lente à caixa é projetado no molde. Lentes de vidro ainda são usadas, mas devem ser retidas por anel de algum tipo. O vidro caiu em desuso devido aos problemas de segurança de quebra.

Montagem Final

• 7 Após o tubo Bourdon ser feito, sua extremidade fechada é fixada ao soquete por solda, brasagem ou soldagem. A extremidade livre do tubo Bourdon é precisamente localizada durante esta operação de montagem, e então selada, geralmente pelos mesmos meios usados para unir o tubo ao soquete. Uma vez que a montagem do tubo Bourdon e soquete está segura, a ponta da extremidade não suportada do "C" é fixada a uma peça terminal. Esta peça contém um pequeno furo que conecta a ponta ao mecanismo de movimento engrenado. A ponta do Bourdon não se move uma grande distância dentro de sua faixa de pressão, tipicamente 0,31 a 0,63 cm (0,125 a 0,25 polegada). Entensivelmente, maior a pressão, mais longe a ponta se move. Os outros componentes — o movimento, ponteiro e mostrador — são então montados sobre o soquete como um grupo.

Calibração

Calibração ocorre pouco antes da montagem final do manômetro à caixa protetora e lente. A montagem consistindo do soquete, tubo e movimento é conectada a uma fonte de pressão com um manômetro "mestre" conhecido. Um manômetro "mestre" é simplesmente um manômetro de alta precisão de calibração conhecida. Ajustes são feitos na montagem até que o novo manômetro reflita as mesmas leituras de pressão do mestre. Requisitos de precisão de 2% de diferença são comuns, mas alguns podem ser 1%, 0,5%, ou até 0,25%. Seleção da faixa de precisão depende unicamente de quão importante a informação desejada é em relação ao controle e segurança do processo. A maioria dos fabricantes usa mostrador graduado com varredura de 270 graus de zero a faixa total. Estes mostradires podem ter de menos de 2,5 cm (1 polegada) a 0,9 metro (3 pés) de diâmetro, com os maiores tipicamente usados para precisão extrema. Aumentando o diâmetro do mostrador, a circunferência ao redor da linha de graduação é tornada mais longa, permitindo muitas marcações finamente divididas. Estes manômetros grandes são geralmente muito frágeis e usados apenas para propósitos mestres. Os próprios mestres são inspecionados periodicamente quanto à precisão usando testadores de peso morto, um aparelho hidráulico muito preciso que é rastreável ao National Bureau of Standards nos Estados Unidos.

É interessante notar que quando o negócio de fabricação de manômetros estava em sua infância, o design teórico do elemento de pressão ainda estava se desenvolvendo. O tubo Bourdon era feito com parâmetros de design muito gerais, porque cada tubo era testado à pressão para determinar qual faixa de serviço era adequada. Não se sabia exatamente qual faixa de pressão resultaria do processo de laminação e tratamento térmico, então estes instrumentos eram classificados na calibração para aplicação específica. Hoje, com o desenvolvimento de modelagem computacional e muitas décadas de experiência, tubos Bourdon modernos são laminados precisamente a dimensões específicas que requerem pouca, ou nenhuma, calibração. Calibração moderna pode ser realizada por computadores usando ajustadores mecânicos controlados eletronicamente para ajustar os componentes. Isso infelizmente elimina a imagem do mestre artesão sentado no banco de calibração, afinando finamente um delicado movimento semelhante a relógio para precisão extrema. Algumas oficinas de reparo de instrumentos ainda realizam este trabalho único, e estes belos manômetros de pressão permanecem iguais aos relógios e cronômetros criados por mestres artesãos anos atrás.

Aplicações e Futuro

Uma vez que o manômetro calibrado é montado e embalado, é distribuído a fabricantes de equipamentos, empresas de serviços e laboratórios de teste para uso em muitas aplicações diferentes. Estas aplicações variadas explicam a ampla faixa no design da caixa e lente. O soquete pode entrar na caixa pela traseira, topo, fundo ou lateral. Alguns mostradires são iluminados por tintas luminescentes usadas para imprimir as graduações ou por pequenas lâmpadas conectadas a fonte elétrica externa. Manômetros destinados a serviço de alta pressão geralmente são de design de segurança "frente morta", característica de design da caixa que coloca espessura substancial de material da caixa entre o tubo Bourdon e o mostrador. Esta barreira protege o observador do instrumento de fragmentos do manômetro caso o tubo Bourdon se rompa devido a pressão excessiva. O design interno da caixa direciona estas peças de alta velocidade para fora da traseira do manômetro, longe do observador. Muitas aplicações envolvem montar o manômetro diretamente em maquinário em funcionamento, resultando na necessidade de enchimento líquido. Manômetros não preenchidos sucumbem rapidamente aos efeitos destrutivos da vibração. Flanges de montagem especiais são fixados às caixas para permitir montagem em painel e superfície independente da tubulação de pressão. Materiais de caixa e lente são escolhidos para lidar com variedade de ambientes abusivos ou contaminados, e são vedados por vários meios para manter umidade e contaminantes fora do mecanismo de movimento.

O uso de manômetros no futuro parece depender da indústria de sensores eletrônicos em rápido crescimento. Estes sensores são componentes eletrônicos que fornecem sinal elétrico e têm essencialmente nenhuma peça móvel. Muitos manômetros hoje já têm estes sensores montados dentro da caixa para enviar informações a computadores e controladores de controle de processo. Estes sensores são intrinsecamente seguros, permitindo seu uso em ambientes inflamáveis ou explosivos. Toda a questão de controle de processo cresceu nos últimos anos como resultado da necessidade de prevenir liberações acidentais da mídia do processo, muitas das quais são prejudiciais ao meio ambiente. À medida que preocupações ambientais crescem, esta interface estará em demanda e o manômetro mecânico pode cair em desuso. No entanto, o manômetro mecânico não requer fonte de energia elétrica ou equipamento de computador necessário pelo sensor eletrônico. Isso torna o manômetro custo-efetivo para a maioria dos usos gerais, e é nesta área que a indústria espera continuar a prosperar.