Guia Essencial do Tubo de Pitot: Como Mede Velocidade do Ar e Fluxo de Fluido

Ao pensar em como a velocidade é medida em aplicações como aeronaves, bem, o tubo de Pitot é o instrumento projetado para esta tarefa. Este instrumento, conhecido como sonda de Pitot, consiste em um tubo com uma curva reta de ângulo curto. O dispositivo é usado para calcular a velocidade dependendo do fluxo do fluido. Tubos de Pitot são usados em anemômetros para medir a velocidade do ar em túneis de vento e a bordo de aeronaves em voo. São usados para medir o fluxo de líquido, ar e gás.

Hoje você entenderá a definição, função, aplicações, componentes, diagrama, equação, tipos e funcionamento de um tubo de Pitot. Também conhecerá o seguinte:

• Pressão estática
• Pressão dinâmica
• Pressão de estagnação
• Velocidade do fluxo
• Tubos de Pitot de porta única
• Tubos de Pitot de média
• Como medir fluxo de ar com um tubo de Pitot, finalmente
• Você conhecerá as vantagens e desvantagens de um tubo de Pitot.

O que é um tubo de Pitot?

Um tubo de Pitot é um instrumento de medição de fluxo para medir a velocidade (rapidez) de um fluido em fluxo. Foi inventado por Henri Pitot, que era um engenheiro francês no século XVIII. O dispositivo foi modificado para sua forma moderna em meados do século XIX por um cientista francês, Henry Darcy. Um tubo de Pitot é um tubo delgado, tendo dois furos nele. O furo frontal é colocado na corrente de ar, ajudando a medir o que é conhecido como pressão de estagnação. O furo lateral mede o que é chamado de pressão estática. A medição entre estas duas pressões é o que nos dá a pressão dinâmica, que pode ser usada para calcular a velocidade do ar. Bem, isso será explicado mais adiante.

Tubos de Pitot, que são instrumentos de sensor de fluxo, podem ser uma alternativa barata a uma placa de orifício. Sua precisão varia de 0,5% a 5% FS, o que é similar à de um orifício. Além disso, sua faixa de vazão de 3:1 (embora alguns funcionem a 4:1) é mais como a capacidade da placa de orifício. A diferença entre estes dois dispositivos é que o orifício mede o fluxo total, enquanto o tubo de Pitot pode detectar a velocidade do fluxo em apenas um ponto da corrente de fluxo.

Aplicações de um tubo de Pitot

Tubos de Pitot agora podem ser encontrados em muitas aplicações, não apenas na aviação. É popular que o instrumento é usado na aviação, eles também são comuns em máquinas industriais, barcos e até carros esportivos. Na verdade, você pode até empregar um tubo de Pitot em seu projeto que exija medição da velocidade de um fluxo. No entanto, aviões frequentemente usam tubos de Pitot-estáticos que contêm duas aberturas em vez de um tubo separado e portas estáticas.

Um único tubo de Pitot tem a capacidade de medir pressão estática e pressão de estagnação. As portas estáticas no lado do tubo de Pitot ajudam a alcançar esta capacidade tudo-em-um. Isso elimina a necessidade de portas estáticas separadas. Elaborarei mais sobre isso abaixo deste artigo.

Como mencionado anteriormente, o tubo de Pitot é amplamente usado para determinar a velocidade do ar de uma aeronave e a velocidade da água de um barco. É usado para medir velocidades de fluxo de líquido, ar e gás em certas aplicações industriais. Basicamente, o instrumento é usado em experimentos de túnel de vento e em aviões para medir velocidade de fluxo. É usado em uma ampla gama de aplicações de medição de fluxo, como velocidade do ar em carros de corrida e jatos de caça da força aérea. Em aplicações industriais, tubos de Pitot são usados para calcular fluxo de ar em tubos, dutos e chaminés. Também fluxo de líquido em tubos, vertedouros e canais abertos.

Finalmente, em aplicações, tubos de Pitot são usados para medir velocidade de fluxo de fluido medindo a diferença entre pressão estática e dinâmica. Isso pode ser alcançado convertendo a energia cinética em um fluxo de fluido em energia potencial.

Componente de um tubo de Pitot

Diagrama de um tubo de Pitot:

Equação do tubo de Pitot

O princípio baseia-se na Equação de Bernoulli, onde cada termo da equação pode ser interpretado como pressão

p + 1/2 ρ v² + ρ g h

= p + 1/2 ρ v² + γ h

= constante ao longo de uma linha de corrente … (1)

Onde:

p = pressão estática (relativa ao fluido em movimento) (Pa)

ρ = densidade do fluido (kg/m³)

v = velocidade do fluxo (m/s)

γ = ρ g = peso específico (N/m³)

g = aceleração da gravidade (m/s²)

h = altura de elevação (m)

Cada termo da equação tem a dimensão força por unidade de área N/m² (Pa) – ou em unidades imperiais lb/ft² (psi).

Pressão Estática – O termo P indica pressão estática. É estática relativa ao fluido em movimento e pode ser medida através de uma abertura plana paralela ao fluxo.

Pressão Dinâmica – O segundo termo – 1/2 ρ v² – é chamado de pressão dinâmica.

Pressão Hidrostática – O terceiro termo – γ h – é chamado de pressão hidrostática. Representa a pressão devido a uma mudança de elevação.

Pressão de Estagnação – A Equação de Bernoulli afirma que a energia ao longo de uma linha de corrente é constante – e pode ser modificada para

p₁ + 1/2 ρ v₁² + γ h₁

= p₂ + 1/2 ρ v₂² + γ h₂

= constante ao longo da linha de corrente … (2)

Onde:

sufixo₁ é um ponto no fluxo livre a montante

sufixo₂ é o ponto de estagnação onde a velocidade no fluxo é zero

Velocidade do Fluxo – Em um ponto de medição, consideramos a pressão hidrostática como constante onde h₁ = h₂ – e esta parte pode ser eliminada. Como v₂ é zero, (2) pode ser modificada para:

p₁ + 1/2 ρ v₁² = p₂ … (3)

ou

v₁ = [2 (p₂ – p₁) / ρ] ^1/2

= [2 Δp / ρ] ^½ … (4)

Onde:

Δp = p₂ – p₁ (pressão diferencial)

Com (4) é possível calcular a velocidade do fluxo no ponto 1 – o fluxo livre a montante – se soubermos a diferença de pressão diferencial Δp = p₂ – p₁ e a densidade do fluido.

É comum usar altura em vez de pressão. (4) pode ser modificada dividindo pelo peso específico γ para

v₁ = c [2 g Δh]^1/2 … (5)

Onde:

c = coeficiente – dependendo do líquido de referência e unidades usadas ou calculadas

g = aceleração da gravidade

Δh = h₂ – h₁ = diferença de altura (coluna de fluido)

Nota! – na equação básica, a unidade de altura refere-se à densidade do fluido em fluxo. Para outras unidades e líquidos de referência – como mm Coluna de Água – verifique Cabeça de Pressão de Velocidade.

Funcionamento de um tubo de Pitot

O funcionamento de um tubo de Pitot é menos complexo e pode ser facilmente entendido. Um tubo de Pitot mede duas pressões: estática e a pressão de impacto total. A pressão estática é a pressão de operação no tubo, duto ou ambiente, a montante do tubo de Pitot. É medida em ângulo reto à direção do fluxo, frequentemente em um local de baixa turbulência.

A soma das pressões estática e cinética é a pressão de impacto total (PT). É detectada quando a corrente de fluxo impacta a abertura do Pitot. Para medir esta pressão de impacto, o tubo de Pitot usado é frequentemente pequeno, e às vezes em forma de L. A abertura deve enfrentar diretamente a corrente de fluxo que se aproxima. A velocidade de aproximação do ponto (VP) é calculada tirando a raiz quadrada da diferença entre a pressão total (PT) e a pressão estática (P). Então será multiplicada pela razão C/D, onde C é uma constante dimensional e D é densidade. Pode ser expressa matematicamente como;

Vp = C(PT – P)½/D

Como a vazão é obtida multiplicando a velocidade do ponto (VP) pela área da seção transversal do tubo ou duto, a medição de velocidade deve ser feita em uma profundidade de inserção que corresponda à velocidade média. O perfil de velocidade no tubo muda de alongado (laminar) para mais plano (turbulento). Isso acontece porque a velocidade do fluxo aumenta. Muda o ponto de velocidade média e requer um ajuste da profundidade de inserção.

Instrumentos de tubo de Pitot são usados apenas para fluxos altamente turbulentos (Números de Reynolds > 20.000). Portanto, o perfil de velocidade precisa ser plano o suficiente para que a profundidade de inserção não seja crítica.

Assista ao vídeo abaixo para aprender mais sobre o funcionamento de um tubo de Pitot:

Tubo de Pitot de porta única

Um tubo de Pitot de porta única mede a velocidade do fluxo apenas em um único ponto na seção transversal de uma corrente de fluxo. A sonda deve ser inserida em um ponto em uma corrente de fluxo onde a velocidade do fluxo é a média das velocidades através da seção transversal. A porta de impacto deve enfrentar diretamente o fluxo de fluido.

Tubos de Pitot de porta única podem ser tornados menos sensíveis à direção do fluxo se a porta de impacto tiver chanfros internos de cerca de 15 graus, estendendo-se por cerca de 1,5 diâmetros no tubo. Se a pressão diferencial criada pelo venturi for muito baixa para detecção precisa, o tubo de Pitot convencional pode ser substituído por um venturi de Pitot. Um sensor de venturi duplo também pode ser usado para produzir uma pressão diferencial maior.

Um tubo de Pitot de porta única limpo, calibrado e inserido corretamente oferecerá ±1% de precisão de escala total sobre uma faixa de fluxo de 3:1. Com alguma perda de precisão, o instrumento pode até medir sobre uma faixa de 4:1. Os benefícios de um tubo de Pitot de porta única incluem baixo custo, simplicidade no design, nenhuma peça móvel, e causa perda de pressão muito pequena na corrente de fluxo. Embora tenha algumas limitações que incluem erros resultantes de mudanças no perfil de velocidade ou entupimento das portas de pressão.

Tubos de Pitot de média (averaging pitot tubes)

Tubos de Pitot de média foram inventados para eliminar o problema de encontrar o ponto de velocidade média. Este tubo é fornecido com múltiplas portas de pressão de impacto e estática. É projetado para se estender por todo o diâmetro do tubo. As pressões detectadas por todas as portas de pressão de impacto serão unidas e a raiz quadrada de sua diferença é medida como uma indicação do fluxo médio no tubo.

Há uma porta mais próxima da saída do sinal combinado, ela tem uma influência ligeiramente maior que a porta mais distante. Embora para aplicações secundárias onde tubos de Pitot são comumente usados, possam ver o erro como nada. Um tubo de Pitot pode ser modificado para atender às necessidades de uma aplicação particular, como o número de portas de impacto, a distância entre portas e o diâmetro do tubo de Pitot de média.

As portas de sensoriamento dos tubos de Pitot de média são frequentemente muito grandes para que o tubo possa funcionar como uma verdadeira câmara de média. As aberturas das portas são otimizadas para prevenir entupimento em vez de média. Embora, purga com gás inerte seja usada para manter as portas limpas, permitindo que o sensor use portas menores.

Tipos de média de tubos de Pitot oferecem os mesmos benefícios e limitações que tubos de porta única. Apenas que são ligeiramente mais caros e um pouco mais precisos, especialmente se o fluxo não for totalmente formado. Além disso, alguns sensores de Pitot de média podem ser inseridos através da mesma abertura (ou hot tap) que acomoda um tubo de porta única.

Como medir fluxo de ar com um tubo de Pitot

Como tubos de Pitot são bem adequados para medição de fluxo de ar de velocidade média a alta, é importante saber como medir fluxo de ar com o instrumento. Tomar medições precisas requer correção de densidade e uma travessia cuidadosa. Isso porque a precisão é ditada pelo dispositivo de medição de pressão que é montado no tubo de Pitot. Embora métodos mais econômicos (fio quente e palheta) possam ser usados para medir fluxo de ar em aplicações de baixo fluxo. No entanto, para aplicações de alto fluxo ou alta temperatura, o tubo de Pitot é ideal.

Como dito acima, um tubo de Pitot mede pressão total e pressão estática para determinar a pressão de velocidade. Este processo também deriva a velocidade do ar. O tubo é inserido no duto com a ponta apontada para o fluxo de ar. A porta positiva do manômetro é conectada à porta de pressão total (Pt) e a negativa à porta de pressão estática (Ps). Este manômetro então exibirá a pressão de velocidade que pode ser convertida em velocidade.

Tubos de Pitot modernos são projetados com nariz ou ponta adequada e a distância entre o nariz, tomadas de pressão estática e a haste é suficiente. Isso minimizará turbulência e interferência, fazendo com que possa ser usado sem fatores de correção ou calibração.

Garantindo leitura precisa de pressão de velocidade, a ponta do tubo de Pitot deve ser apontada diretamente para (paralela com) a corrente de ar. Com o alinhamento correto do tubo de Pitot, a indicação de pressão de velocidade estará no máximo.

Note que leituras precisas não podem ser tomadas em uma corrente de ar turbulenta. Tubos de Pitot devem ser inseridos pelo menos 8,5 diâmetros de duto a jusante de cotovelos, curvas ou outras obstruções que possam causar turbulência. Para medição precisa, as aletas endireitadoras devem ser localizadas 5 diâmetros de duto a montante do tubo de Pitot, se disponíveis.

A velocidade do ar não é igual através de uma área seccional de um duto ou laminar. Portanto, uma travessia do duto precisa ser realizada para determinar uma velocidade média. O atrito mais próximo das paredes do duto desacelera o fluxo de ar enquanto esfregam as paredes do duto. Um padrão definido será seguido para garantir medição precisa.

Vantagens e desvantagens de um tubo de Pitot

Vantagens:

• O instrumento é portátil
• Não contém peças móveis.
• Apesar de seu grande trabalho, é barato
• Tem design simples e é confiável.
• Baixa perda de pressão permanente.
• Facilidade de instalação em sistema existente.
• Adequado para diferentes condições ambientais, incluindo altas temperaturas e ampla faixa de pressões.

Desvantagens:

Apesar das boas vantagens do tubo de Pitot, algumas limitações ainda ocorrem. Abaixo estão as desvantagens dos tubos de Pitot em suas diversas aplicações.

• Baixa faixa de operação (rangeability)
• Baixa precisão.
• Leitura pode ser facilmente obstruída, dependendo do fluido.
• Vibração pode dar leitura errada e até danificar o instrumento.

Conclusão

Um tubo de Pitot é um ótimo componente para medições de fluido em fluxo. Neste post, examinamos a definição, função, aplicações, equação, tipos e funcionamento de um tubo de Pitot. Também vimos as vantagens e desvantagens dos instrumentos de tubo de Pitot.

Espero que tenha tirado muito proveito deste artigo. Se sim, compartilhe com outros estudantes. Obrigado por ler. Até a próxima!