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Como usar sensores de pressão (MEC088)

A medida de pressão é necessária numa infinidade de processos industriais, de distribuição de fluídos como líquidos e gases, além do próprio armazenamento. Como medir pressão usando transdutores é algo que todo o profissional deve saber, principalmente levando em conta que qualquer deslize nessa tarefa pode também incluir problemas de segurança. Nesse artigo, baseado em material da National Instruments (www.ni.com), trataremos da medida de pressões com sensores de uma forma bastante detalhada para os que desejam saber mais ou simplesmente reciclar seus conhecimentos.

Sensores eletrônicos de pressão são de grande importância nos nossos dias, já que eles podem fornecer sinais elétricos diretamente para circuitos de controle ou de monitoramento. O conhecimento do modo como esses sensores funcionam e podem ser usados é, portanto de grande importância.

Será justamente esse o tema desse nosso artigo em que iniciamos por definir algumas grandezas básicas que envolvem a medida da pressão.

 

Pressão

Definimos pressão como a força exercida por um fluido, por unidade de área, conforme mostra a figura 1.

 

Definição de pressão.
Definição de pressão.

 

A unidade de pressão no Sistema Internacional de Unidades (SI) é o Pascal, definido como 1 Newton por metro quadrado ou 1 N/m2 . No entanto, existem outras unidades que podem ser usados em alguns casos como libras por polegada quadrada (PSI), atmosferas (atm), bar, polegadas de mercúrio (in Hg) e milímetros de mercúrio (mm Hg).

Abaixo damos uma tabela que possibilita a conversão de pressões:

(Obs: como essa tabela é grande, ela pode ser colocada no site, com indicação no artigo)

Valor a converter:
De:
Em:
Resultado (arredondado a 7 casas decimais) :

 

A medida de pressão pode ser tanto estática como dinâmica. Quando não existe movimento do fluído cuja pressão está sendo medida, no interior de um reservatório, por exemplo, a medida da pressão é estática. Quando o fluido está em movimento, escapando de um reservatório, por exemplo, a medida é dinâmica. A figura 2 ilustra os dois casos.

 

Medida dinâmica e estática.
Medida dinâmica e estática.

 

A medida de uma pressão pode também ser considerada como função do modo como ela realizada. Assim, existem três tipos de medidas de pressão possíveis: absoluta, calibrada e diferencial.

A pressão absoluta, conforme mostra a figura 3 é medida em relação ao vácuo como referência. Também é denominada PAA (Pascals Absolute) ou PSIA (Pounds per Square Inch Absolute - Libras por Polegada Quadrada Absoluta).

 

Medida de pressão absoluta.
Medida de pressão absoluta.

 

A medida da pressão calibrada (Gauge) é feita em relação ao ambiente ou a uma pressão de referência, conforme mostra a figura 4.

 

Medida de pressão calibrada.
Medida de pressão calibrada.

 

Essa pressão também é abreviada por PAG (Pascals Gauge) ou ainda PSIG (Pounds per Square Inch Gauge ou Libras por Polegada Quadrada Calibrada).

Finalmente, temos a medida da pressão diferencial ou relativa que é feita conforme mostra a figura 5.

 

Medida de pressão diferencial.
Medida de pressão diferencial.

 

Diferentemente da pressão calibrada que é tomada em relação a pressão atmosférica ambiente, essa medida é feita tomando-se uma outra pressão como referência.

Também é chamada PAD (Pascal Differential) ou PSID (Pounds per Square Inch Differential - Libras por Polegada Quadrada Diferencial).

 

Os Sensores

Pressão é uma grande analógica, existindo uma infinidade de tipos de sensores que podem convertê-la no movimento de uma agulha numa escala, uma tensão elétrica, uma corrente elétrica, ou outra grandeza que possa ser observada.

Os três principais tipos de sensores que são usados nas aplicações práticas são os seguintes:

 

a) Membrana

Os mais comuns de todos os sensores são os de membrana com configuração em ponte de Wheatstone. A construção de um sensor desse tipo é mostrada na figura 6.

 

Sensor de pressão por membrana.
Sensor de pressão por membrana.

 

Quando uma pressão é aplicada ao diafragma ele se deforma com uma conseqüente alteração de sua resistência elétrica. Essa resistência pode então ser medida por um circuito externo.

Basicamente existem três tipos de sensores de membrana. O primeiro é o de liga onde uma folha de metal forma uma liga com o diafragma, sendo sua resistência medida quando a pressão atua sobre o conjunto.

Dentre as vantagens desse tipo de sensor, temos a rápida resposta e a capacidade de operar numa faixa muito ampla de temperaturas.

Os sensores do tipo pulverizado são fabricados pulverizando-se uma camada de vidro no diafragma e sobre ela colocando-se uma película de filme metálico. Esses sensores são ideais para ambientes rudes.

O terceiro tipo é o que tem por base um semicondutor. Sensores sensíveis à pressão com materiais semicondutores podem ser elaborados, conforme mostra a figura 7.

 

Sensor de pressão por membrana com semicondutor.
Sensor de pressão por membrana com semicondutor.

 

Nele, uma membrana pressiona um material semicondutor que altera suas características de condução conforme a pressão aplicada.

Normalmente esses sensores já incluem um circuito integrado que processa seus sinais, sendo por isso muito simples de usar.

 

b) Capacitância

Na figura 8 temos um sensor de pressão que se baseia na alteração da capacitância entre um diafragma que se deforma, e uma placa fixa no seu interior.

 

Sensor de pressão por capacitância.
Sensor de pressão por capacitância.

 

Com o aumento da pressão aplicada ao diafragma a armadura móvel que ele representa se aproxima da armadura fixa e com isso a capacitância do sensor aumenta.

Se bem que eles sejam sensíveis, e tenham uma resposta linear e estável, eles são sensíveis à alta temperatura além de exigirem circuitos mais complexos para processar o sinal que fornecem, ou seja, a capacitância.

 

c) Piezoelétricos

Na figura 9 temos um sensor de pressão piezoelétrico em corte.

 

Sensor de pressão piezoelétrico.
Sensor de pressão piezoelétrico.

 

Uma membrana faz contacto através de uma agulha com um cristal piezoelétrico. Quando muda a pressão da agulha sobre o cristal ele se deforma, gerando uma tensão elétrica que se manifesta na sua saída.

Essa tensão é proporcional à pressão da agulha sobre o elemento sensível sensor.

 

Problemas Comuns

Um problema comum que causa danos aos sensores de pressão é o denominado impacto dinâmico. O que ocorre é que, quando um fluído está passando através de um condutor em que existe um sensor e repentinamente o fluxo desse fluído é interrompido por uma válvula, ocorre uma espécie de onda de impacto.

Podemos comparar o que ocorre ao transiente gerado num circuito eletrônico que tenha uma carga indutiva e repentinamente a corrente é interrompida, conforme mostra a figura 10.

 

Geração de transiente.
Geração de transiente.

 

O transiente do fluído que é gerado nessas condições pode "bater" sobre o sensor danificando-o.

Nos circuitos eletrônicos em que isso pode ocorrer, danificando um componente de comutação, por exemplo, um SCR, utiliza-se um circuito amortecedor ou "snubber", conforme mostra a figura 11.

 

Circuito amortecedor ou snubber.
Circuito amortecedor ou snubber.

 

Para os sensores é possível elaborar um "snubber" hidráulico, conforme mostra a figura 12.

 

Snubber hidráulico.
Snubber hidráulico.

 

O pequeno orifício para entrada do fluído impede que uma variação rápida da pressão se propague de imediato até o elemento sensor, atuando como um "resistor" hidráulico. Por outro lado, a variação de pressão é absorvida ainda pelo volume de fluído na cavidade, um reservatório que se comporta justamente como um "capacitor" hidráulico.

 

Interface

Além de proteger o próprio sensor, ao fazer o seu interfaceamento com um circuito externo, precisamos tomar cuidados com a própria integridade do sinal e do circuito externo.

Pressão é uma grandeza linear e na maioria dos casos, o sensor a converte para outra grandeza linear como a tensão ou a corrente. Assim, conforme mostra a figura 13, na maioria das aplicações temos a com versão linear numa faixa de 0 a 5 V para os dispositivos que operam com saída de tensão e de 4 a 20 mA para os dispositivos que operam com saída de corrente.

 

Conversão da pressão em tensão ou corrente.
Conversão da pressão em tensão ou corrente.

 

A saída de corrente é especialmente interessante porque, a precisão do sinal que se obtém no extremo de uma linha independe de sua resistência, o que não ocorre com a transmissão por tensão.

Nos sistemas modernos de controle e monitoramento de pressão, utiliza-se o computador o que significa que os sinais na forma analógica precisam passar por um processamento adicional que consiste no hardware de aquisição de dados ou DAQ (Data Acquisition).

Conforme mostra a figura 14, um sistema típico de aquisição de dados como o da National Instruments, fornece todos os recursos para a operação com diversos sensores, como também o necessário condicional do sinal para se garantir precisão nas medidas feitas.

 

Sistema de aquisição de dados da National Instruments.
Sistema de aquisição de dados da National Instruments.

 

Sistema de aquisição de dados para pressão, força, carga e torque da National Instruments

O sistema apresentado inclui os circuitos de condicionamento de sinais, com 8 canais simultâneos interfaceando diretamente sistemas computadorizados de controle.

Outro sistema para aquisição de dados, sendo indicado para sensores de pressão de alta performance é o PXI-4220, mostrado na figura 15, também da National Instruments. Esse sistema opera com conversores ADC de 16 bits de resolução com uma taxa de amostragem de 333 kS/s (milhares de amostragens por segundo).

 

Outro sistema da National Instruments.
Outro sistema da National Instruments.

 

 

Conclusão

A escolha correta do sensor apropriado para uma aplicação, assim como do interfaceamento com o sistema de controle são fundamentais para se garantir segurança na medida de pressões.

Nesse artigo demos uma visão rápida dos tipos de sensores que existem, como operam e como podem ser usados.

 

Veja mais:

* Sensores de robôs (MEC014)

* Sensores de alarmes (IP076)

* Diversos artigos com todos os tipos de sensores na seção de artigos

* Amplificadores para sensores de pressão (ART648)

* Sensor de pressão (MEC035)

* Pressão atmosférica (ALM146)

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