Nesse artigo será abordado o tema Sensor de Pressão, onde serão listados os tipos de sensores, suas funcionalidades, modo de utilização e algumas informações sobre o assunto.
Monômetros de Coluna
Este Sensor de Pressão baseia o seu princípio de funcionamento no equilíbrio da pressão a ser medida com a pressão exercida por uma coluna de líquido. Assim, se a coluna for preenchida com água, a altura da coluna indicará diretamente a pressão em unidades de coluna de água. Caso se utilize mercúrio para enchimento, a indicação será em unidades de coluna de mercúrio.
Os manômetros de coluna são basicamente utilizados em laboratórios de aferição/calibração e/ou em plantas piloto. Destinam-se, fundamentalmente, à medida de baixas pressões ou de vácuo e servem também como padrões primários, isto é, podem ser utilizados como padrão para a calibração e/ou aferição de outros instrumentos medidores de pressão.
Os manômetros de coluna podem ser classificados em manômetros do tipo tubo em “U”, manômetro de tubo reto com reservatório e manômetro de tubo inclinado com reservatório.
Tubo em “U”
O manômetro de tubo em “U” é o mais simples dos manômetros de coluna de líquido. Ele consiste de um tubo de seção transversal constante, fabricado em material transparente e conformado no formato de um “U”. O seu interior é preenchido com um fluido manométrico até aproximadamente a sua metade, sendo as extremidades do tubo abertas à atmosfera.
Pela escolha adequada do fluido manométrico pode-se medir uma faixa de pressões razoavelmente ampla. A imagem abaixo mostra um manômetro de tubo em “U” típico. Para se evitar a inconveniência de ter que se efetuar a leitura dos dois ramos do manômetro em “U”, pode-se utilizar uma variante do mesmo, que é o manômetro de tubo reto com reservatório.
Neste tipo de manômetro, um dos ramos é substituído por um reservatório de diâmetro bem maior do que o do outro ramo, de forma que a diferença de pressão a ser medida é indicada apenas pela altura da coluna de fluido manométrico neste.
A relação entre os diâmetros do reservatório e do ramo deve ser tão grande quanto possível para reduzir os erros resultantes da variação de nível do fluido manométrico no reservatório.
A grande vantagem do manômetro de tubo reto com reservatório se verifica no fato de que todas as leituras podem ser obtidas diretamente de uma única coluna indicadora.
O uso correto e adequado do manômetro de tubo reto com reservatório requer um cuidado operacional que normalmente não é exigido pelo manômetro de tubo em “U”, a saber: a pressão mais elevada deverá – sempre – ser interligada à tomada de impulso do reservatório.
Tubo Inclinado com Reservatório
Para se medir pressões bastante pequenas com grande precisão utiliza-se o manômetro de tubo inclinado com reservatório. Para se alcançar este objetivo, a coluna do manômetro é fabricada com uma certa inclinação.
O manômetro de tubo inclinado com reservatório foi desenvolvido para permitir a medida de pressões bastante pequenas com grande precisão. Para se alcançar tal objetivo, a coluna do manômetro é fabricada com uma certa inclinação.
Com a inclinação do tubo indicador, o fluido manométrico realizará um movimento linear muito mais longo, quando comparado com o tubo vertical, para uma mesma diferença de pressão. Este fato permite aumentar bastante a legibilidade e a sensibilidade do aparelho.
Tubo de Bourbon
Muitos manômetros empregam alguma variante do tubo de Bourbon, o formato “clássico” em “C”, a espiral, o helicoide ou o par trançado. Devido as suas características inerentes de robustez, simplicidade o custo relativamente baixo, o manômetro de Bourbon encontra utilização muito ampla.
Formato em “C” Clássico
O manômetro indicador de pressão mostrado abaixo, com um transdutor em forma de “C”, é essencialmente o mesmo que o utilizado no projeto original de Bourdon. Variações e refinamentos desenvolvidos ao longo dos anos não alteraram o princípio básico de operação para a medida de todos os tipos de pressões de fluídos, desde 30 até 100.000 psig.
A pressão alimentada ao tubo de Bourdon, que é superior à pressão externa ou à pressão atmosférica, faz com que o tubo parcialmente achatado tenha a tendência a alterar o seu formato original para uma nova seção transversal mais próxima à de um círculo. As tensões criadas no tubo tendem a endireitar a sua curvatura em “C”.
Dado que a extremidade de encaixe está fixada, este fato faz com que a extremidade selada (livre) sofra um pequeno deslocamento (1/16 a 1/2, dependendo do tamanho do manômetro). Através de um acoplamento adequado, esse movimento da extremidade selada causa a rotação de um ponteiro indicador ao redor de uma escala graduada.
É importante ressaltar que as alterações dimensionais do tubo de Bourbon são bastante pequenas e somente podem ser utilizadas para fins de indicação (no instrumento) através do emprego de trens de engrenagens que possuam um fator de amplificação bastante elevado.
Formato de Espiral
O Sensor de Pressão tubo de Bourdon utiliza praticamente toda a força gerada no seu interior para alterar as suas dimensões. Ele sofre deslocamentos praticamente idênticos com ou sem o seu trem de engrenagens.
Devido ao fato de que quase toda a variação de pressão fornecida aos medidores ser utilizada na deformação do respectivo transdutor (elemento elástico), todos os trens de engrenagens e/ou outros elementos de indicação devem apresentar atrito desprezível. O atrito, em qualquer parte do sistema, irá acarretar uma indicação incorreta.
A espiral e a helicoide são duas variações do tubo de Bourdon em formato “C”, ambas são fabricadas a partir de um tubing com seção transversal achatada. Elas foram projetadas para fornecer um maior deslocamento da extremidade selada, essencialmente para a pena dos registradores de pressão.
O tubo de Bourdon em forma de espiral é fabricado pela conformação de um tubo de Bourdon clássico na forma de uma espiral com várias voltas, ao invés do arco de aproximadamente 250º do tubo de Bourdon convencional. As alterações na pressão causam um maior deslocamento da extremidade selada, em relação ao que seria causado pelo tubo de Bourdon em forma de “C”.
Teoricamente, este elemento sensor poderia ser utilizado para a medida de vácuo, como o tubo de Bourdon em forma de “C”, contudo, na prática este elemento é usualmente utilizado para medida de pressão manométrica.
Formato de Helicóide
O tubo de Bourdon em forma de helicoide apresenta o elemento sensor conformado desta maneira. Esta construção aumenta, de maneira considerável, o deslocamento da extremidade selada. Um eixo central é usualmente instalado no interior da helicoide, permitindo o acoplamento de um ponteiro ou de uma pena de registro.
O eixo, por sua vez, sofre a rotação causada pelo movimento da extremidade livre (selada) da helicoide. Os elementos do tipo helicoide são geralmente utilizados para se medir pressões na faixa de 30 psig a 25000 psig.
Quando a pressão a ser medida for menor do que 12 psig, a rigidez do elemento de Bourdon não permite que este responda suficientemente bem à pequenas variações de pressão. Para se medir pressões menores, os elementos sensores mais comumente utilizados são o diafragma metálico ou o fole.
Diafragma Metálico
O elemento sensor do tipo diafragma metálico consiste de uma ou mais capsulas rigidamente interligadas, como pode ser visto abaixo. Cada capsula possui dois invólucros metálicos ligados entre si e selados. A pressão que é aplicada internamente ao elemento sensor (transdutor) faz com que este sofra uma distensão, em relação direta com a mesma. Este deslocamento depende das características elásticas do diafragma metálico, sendo normalmente utilizado para acionar um ponteiro de indicação.
Os diafragmas são geralmente utilizados para se medir baixas pressões, compreendidas na faixa de 0 a 1 Hg até 0 a 330 psig. Eles também são utilizados para se medir desde pequenos vácuos (0 a 1 Hg) até vácuos tão elevados quanto 30 Hg e pressões de até 200 psig.
Faixas
Para pressões na faixa de 10 psig, os transdutores do tipo diafragma metálico apresentam, em geral, performance melhor do que os tubos de Bourdon ou os foles. O deslocamento do diafragma metálico pode ser tão pequeno quanto 0,06 polegadas. Entretanto, o medidor necessita de uma unidade de acionamento (elemento conversor associado a este transdutor de alta qualidade, praticamente isenta de atrito, para atuar o ponteiro de indicação).
Por outro lado o diafragma metálico permite que o ponteiro de indicação desenvolva um torque muito maior (pela aplicação de uma força no eixo acoplado ao mesmo) do que o tubo de Bourdon, quando submetidos à mesma pressão.
Aplicações típicas para os medidores do tipo diafragma metálico incluem medição de baixas pressões e/ou pressões absolutas, medição de tiragem, medição de pressão diferencial, medição de nível de líquidos e como elemento receptor de sinal pneumático padronizado (3 a 15 psig).
Fole
O elemento medidor (transdutor) tipo fole é um dispositivo elástico, normalmente fabricado a partir de um tubo de paredes finas sem costura. A próxima figura mostra o esquema de um transdutor tipo fole, acoplado a um sistema de indicação bastante simples.
Com a finalidade de aumentar a vida útil do fole, restringe-se o seu deslocamento (isto é, o seu curso) através de uma mola montada em oposição, de modo que somente uma parte do seu curso total seja utilizada.
Com esta mola em oposição, o elemento sensor é denominado de fole tensionado por molas (em inglês, spring loaded bellows), como pode ser visto na figura.
Os foles são usualmente utilizados para medir baixas pressões. Devido ao fato do diâmetro dos foles variar entre 1/4 e 1/2, eles podem ser fabricados para serem bastante sensíveis, ainda que bastante resistentes. Eles são geralmente utilizados para se medir pressões na faixa de 0 a 1 Hg até 0,5 a 30 psig e vácuos menores do que 30 Hg.
Extensômetro
Em termos gerais, trata-se de um dispositivo que é utilizado para se medir a alteração dimensional de uma superfície, à medida que a sua estrutura é submetida a esforços mecânicos, térmicos ou a uma combinação de ambos. O extensômetro é geralmente colocado sobre a peça cuja deformação se deseja medir.
O seu princípio de funcionamento foi descoberto por Lord Kelvin, em 1856. Sabe-se que a resistência elétrica de um condutor é dada pela expressão:
Onde:
p = resistividade do Material
l = comprimento do Condutor
A = área da Seção Transversal do Condutor
Caso seja variado o comprimento, ou a área, ou ambos, ao mesmo tempo, teremos uma variação da resistência elétrica. O extensômetro é construído com base neste princípio. A figura abaixo ilustra o princípio de funcionamento.
O extensômetro utilizado para medir pressão é um transdutor que converte um valor de pressão (por meio da deformação mecânica de algum dispositivo) numa alteração da respectiva resistência elétrica de saída. Entre as suas principais vantagens, podemos citar a resposta rápida, resolução praticamente infinita, movimentação de partes internas reduzida ao mínimo, erro pequeno, fácil compensação da temperatura, baixa impedância da fonte de alimentação e relativa imunidade aos efeitos da aceleração.
Dentre as suas desvantagens, podemos citar a dificuldade de se obter um sinal de saída nulo para uma pressão igual a zero, erro devido a vibrações relativamente elevado para sinais menores do que 15 psig, necessidade de isolamento do terra da tensão de excitação do terra da tensão de saída e necessidade de condicionamento do sinal (pois o sinal gerado é de baixo nível).
Sensor de Pressão
O elemento Sensor de Pressão é usualmente um diafragma ou um tubo reto, sobre os quais os extensômetros são montados. Este tubo é selado numa das extremidades. Uma diferença de pressão aplicada sobre as paredes interna e externa do tubo causa uma pequena expansão ou contração no diâmetro do mesmo.
Poucos projetos de medidores de pressão utilizam extensômetros diretamente montados no elemento sensor de pressão. Muitos utilizam um elemento sensor secundário como dispositivo sujeito à deformação, responsável pela produção da deformação percebida pelos extensômetros.
Dispõe-se dos seguintes tipos de extensômetros: De fios metálicos não colados, de fios metálicos colados, do tipo “folha”, geralmente colados sobre superfície e a semicondutor.
Nos medidores de fios metálicos não colados, estes são esticados ao redor de um terminal fixo e de um terminal móvel. Eles fornecem uma alta sensibilidade, mas são bastante sensíveis à vibração. Os elementos colados são fixados permanentemente sobre o transdutor, sendo menos sensíveis à vibração.
Os elementos a semicondutor geram um sinal de saída maior do que os elementos de fios metálicos. Trata-se de elementos discretos que são fixados ao dispositivo transdutor ou são parte integrante deste (conseguido por um processo de difusão).
Para a indicação do sinal gerado pelos extensômetros utiliza-se normalmente uma ponte de Wheatstone, como pode ser visto na imagem acima. Os resistores desta ponte são os extensômetros, que terão o valor das respectivas resistências alterados em função da pressão aplicada ao transdutor. Isto fará com que surja um desbalanceamento na ponte de Wheatstone, gerando um sinal de tensão diretamente relacionado ao desbalanceamento da ponte e consequentemente, à pressão aplicada.
Sensor do Tipo Indutância Variável
Este tipo de Sensor de Pressão utiliza a pressão a ser medida para mover um núcleo magnético no interior de uma bobina, aumentando, assim, a sua indutância de maneira praticamente proporcional à porção metálica do núcleo contida dentro da bobina. A próxima imagem mostra um sensor do tipo indutância variável típico.
Os transdutores a indutância variável apresentam as seguintes características: não produzem atrito durante a medição; apresentam uma resposta linear, são pequenos e de construção robusta e não requerem ajustes especiais na montagem. A sua precisão é da ordem de mais ou menos 1%.
Sensor do Tipo Relutância Variável
Este tipo de Sensor de Pressão consiste de um imã permanente ou de um eletroimã que cria um campo magnético dentro do qual se desloca uma armadura de material magnético.
O circuito magnético é alimentado com uma força magnetomotriz constante que ao se alterar a posição da armadura varia a relutância e, portanto, o fluxo magnético. Esta variação do fluxo magnético cria uma corrente induzida na bobina, que é proporcional ao grau de deslocamento da armadura móvel.
O movimento da armadura é bastante pequeno, sem contato com as partes fixas, apresentando, assim, atrito praticamente desprezível. Este fato faz com que a histerese mecânica deste tipo de transdutor seja desprezível. Os transdutores a relutância variável apresentam grande sensibilidade às vibrações, uma estabilidade razoável ao longo do tempo e são sensíveis à temperatura. Sua precisão é da ordem de mais ou menos 0,5%.
Sensor do Tipo Capacitivo
O transdutor do tipo capacitivo possui um diafragma metálico separando dois volumes.
Placas metálicas fixas estão localizadas em cada lado do diafragma. A deflexão do diafragma altera o acoplamento capacitivo entre este e as duas placas, o acoplamento com uma das placas aumenta a capacitância enquanto que com a outra placa diminui. Esta variação de capacitância (geralmente medida por um circuito em ponte) produz uma variação proporcional na corrente de saída do transdutor.
As principais vantagens do transdutor capacitivo são o tamanho pequeno, boa resposta a frequências elevadas, boa resistência à temperatura, boa linearidade, boa resolução e capacidade de medir tanto a pressão estática como a dinâmica. Dentre as suas desvantagens, podemos citar a impedância de saída elevada e a necessidade de uma eletrônica complexa associada.
Sensor do tipo Potenciométrico
O transdutor potenciométrico foi um dos primeiros sensores de pressão eletrônicos. Ele foi bastante popular devido ao fato de apresentar baixo custo e ser bastante simples.
Um Sensor de Pressão mecânico, usualmente um tubo de Bourdon ou uma capsula, é ligado a um contato deslizante num elemento resistivo. Uma alteração na pressão move o contato e altera a sua posição. Uma tensão aplicada ao elemento resistivo é dividida em proporção direta com a pressão. Dependendo do tipo de elemento resistivo, a saída normalmente linear, pode ser uma função da raiz quadrada da pressão (no caso de vazão) ou qualquer outra função, tal como senóide, logarítmica, etc.
O transdutor pode ser excitado com corrente alternada ou contínua, sendo o casamento de impedâncias dispensado. As outras vantagens incluem capacidade de medir “ranges” elevados e robustez. Algumas desvantagens são a resolução finita, tempo de vida limitado, dimensões grandes, só responde a baixas frequências e tem a tendência a desenvolver ruído à medida que o contato deslizante sofre desgaste. Suas características típicas são 0,2% de resolução, mais ou menos 1,0% de linearidade, aproximadamente 0,4% de repetibilidade, 05% de histerese (maior em faixas de medição de pressão extremamente elevadas e medidas com tubo de Bourdon) e erro devido a variação de temperatura de mais ou menos 0.8%. Instrumentos de melhor qualidade são disponíveis, oferecendo uma precisão de aproximadamente 0,25% do fundo da escala.
Sensor de Pressão do tipo Piezoelétrico
Certos cristais geram uma carga eletrostática ou uma tensão quando submetidos a algum tipo de esforço mecânico. O efeito contrário se verifica quando uma carga eletrostática de certa voltagem é aplicada a um cristal, ou seja, ocorre a deformação mecânica do cristal. Muitos projetos de transdutores utilizam um diafragma que se deforma com a pressão.
Os transdutores de pressão piezoelétricos são utilizados para a medida de pressões que variam rapidamente. Eles são frequentemente instalados em tubos de impacto utilizados em pesquisas, em turbinas, bombas e equipamentos hidráulicos.
A capacidade do sensor piezoelétrico em responder uniforme e rapidamente a todos os níveis de impacto aplicados, pode se tornar um fator limitante em algumas aplicações envolvendo impactos extremamente elevados.
Os cristais mais comumente empregados são o quartzo, o fosfato bi-hidrogenado de amônio e as cerâmicas sinterizadas.
Pressão Dinâmica
Os transdutores de pressão piezoelétricos são geralmente usados para a medida da pressão dinâmica. Eles fornecem uma resposta plana em frequência, em geral na faixa de 10 Hz a 50 Khz. Os transdutores de quartzo e de fosfato bi-hidrogenado de amônio tem frequências naturais maiores do que os cerâmicos. Porém, estes últimos produzem um sinal de saída de nível mais elevado.
Os transdutores de pressão piezoelétricos podem operar sobre uma faixa bastante ampla de temperatura, com um erro razoavelmente pequeno. Os transdutores que utilizam quartzo podem ser empregados com a temperatura ambiente oscilando entre -400ºF e +500ºF. Os transdutores que utilizam cerâmica sinterizada estão normalmente limitados a operar numa faixa de temperaturas muito mais estreita (geralmente compreendida entre -65ºF e +200ºF). O sinal de saída de um elemento piezoelétrico pode ser afetado pelo, relativamente pouco conhecido, efeito piroelétrico, o qual causa alterações no sinal de saída proporcionais à taxa de variação da temperatura detectada pelo cristal.
Uma variante do transdutor piezoelétrico é o transdutor piezoresistivo. Neste último, o cristal utilizado altera a sua resistência elétrica quando submetido a um esforço. Ele é empregado em conjunto com uma ponte de Wheatstone e requer uma tensão de excitação externa.
Os transdutores de pressão piezoelétricos são utilizados para a medida de pressões que variam rapidamente. Eles são frequentemente instalados em tubos de impacto utilizados em pesquisas, em turbinas, bombas e equipamentos hidráulicos.
A capacidade do Sensor de Pressão piezoelétrico em responder uniforme e rapidamente a todos os níveis de impacto aplicados, pode se tornar um fator limitante em algumas aplicações envolvendo impactos extremamente elevados.