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Instrumentação e Controle Capitulo 07 Sensores de Pressão 100 Índice 7 – SENSOR DE PRESSÃO .................................................................................... 101 7.1 - CÉLULAS DE CARGA ......................................................................................... 101 7.1.1 - Tipos e fabricação...........................................................................................................102 7.1.2 - Principais tipos de células de carga ................................................................................103 7.1.3 Especificações / Características.........................................................................................104 7.1.4 - Fatores que interferem na medição de pressão / deformação ...........................................105 7.1.5 - Aplicações típicas e generalidades ..................................................................................105 7.2 - TRANSDUTOR de PRESSÃO PIEZOELÉTRICO ............................................ 109 7.2.1 - Princípio de funcionamento: ...........................................................................................109 7.2.2 - Características gerais: .....................................................................................................110 7.2.3 - Especificações ...............................................................................................................111 7.2.4- Comportamento...............................................................................................................111 7.2.5- Condicionador de Sinais ..................................................................................................112 7.2.6- Calibração .......................................................................................................................112 7.3 - TUBOS DE BOURDON........................................................................................ 113 7.4 - SENSORES DE PRESSÃO ÓPTICOS ................................................................. 114 7.5 - SENSOR DE PRESSÃO INTEGRADO............................................................... 115 7.6 – SENSOR DE PRESSÃO CAPACITIVO .............................................................. 119 Instrumentação e Controle Capitulo 07 Sensores de Pressão 101 Capítulo 07 7 – SENSOR DE PRESSÃO 7.1 - CÉLULAS DE CARGA Células de carga são estruturas mecânicas, planejadas à receber esforços e deformar-se dentro do regime elástico a que foram planejadas. Esta deformação, embora pequena, é suficiente para geral um sinal de saída linear e compatível a carga aplicada. O princípio de funcionamento das células de carga baseia-se na variação da resistência ôhmica do extensímetro (strain-gage), quando submetido a uma deformação, ou seja, a célula de carga sensoriza a deformação da peça a ser medida pela sua própria deformação e transduz em variação de resistência ôhmica. Essa variação decorre do estreitamento da seção transversal do extensímetro. Figura 7.1 Detalhes de construção Instrumentação e Controle Capitulo 07 Sensores de Pressão 104 carga. Este tipo de célula se utiliza normalmente para forças acima de 50 t de intensidade. 7.1.3 Especificações / Características Os principais critérios que devem ser utilizados na medida de uma célula de carga são: • Capacidade nominal A força máxima que leva, deverá medir (os fatores de segurança − 50% de sobrecarga contra danos de funcionameto e 300% para a ruptura − são intrísecos à própria célula). • Sensibilidade Quando a célula de carga está carregada, este valor é dado em milivolt por volt aplicado e, normalmente, entre 2 e 3 mV/V. Isto significa que uma célula de carga de 30 kg de capacidade nominal e 2mV/V de sensibilidade, com uma tensão de excitação na entrada de 10V, quando sujeita a uma força de 30 kg apresentará na saída uma variação de tensão de 20 mV. • Precisão O erro máximo admissível relacionado em divisões da capacidade nominal. As células de carga nesta caso podem ser divididas em: baixa precisão: até 1.000 divisões (ou 0,1% da capacidade nominal); média precisão: de 3.000 a 5.000 divisões (ou 0,03 a 0,02% da capacidade nominal); alta precisão: 10.000 divisões (ou 0,01% da capacidade nominal). • Formato De acordo com a aplicação, determinados formatos são requeridos, considerando-se se a carga é apoiada (células tipo viga) ou se a carga é sustentada (célula tipo Z), ou ainda se a carga introduz momentos tensores na célula (célula tipo single-point). Em suma, forma geométrica, de conduzir a uma “linearidade” das medidas, seguindo as formas da peça. • Ambiente de trabalho Ambientes úmidos ou quimicamente agressivos requerem células de carga herméticas, com grau de proteção IP67, que se consegue normalmente nas do tipo shear-beam. Deve ser evitado o uso de células de carga em ambiente sujeito à vibração intensa, apesar do projeto das mesmas incluir uma verificação de freqüência natural, no sentido de se evitar o fenômeno de ressonância. O uso de células de carga em ambientes explosivos deve ser acompanhado por barreiras de segurança intrínseca, que inserem resistências em série nos circuitos, o que poderia baixar as tensões de excitação. É recomendável o uso de indicadores que compensem esta diminuição através de ligações a 7 fios (tipo Kelvin). • Dispositivos de montagem Instrumentação e Controle Capitulo 07 Sensores de Pressão 105 Devem ser escolhidos visando não transmitir à célula de carga nenhum outro esforço que não seja o da força a medir e, portanto, visando assegurar para a carga todos os graus de liberdade de deslocamento possíveis, à exceção do relativo à direção da força de medir. • Tempo de pesagem Muitas vezes, dispõe-se de um tempo limitado para se efetuar a pesagem. Neste caso deve-se considerar 1 segundo como um tempo mínimo para estabilizar o valor medido. 7.1.4 - Fatores que interferem na medição de pressão / deformação Considerando-se que a temperatura gera deformações em corpos sólidos e que estas poderiam ser confundidas com a provocada pela ação da força a ser medida, há necessidade de se “compensar” os efeitos de temperatura através de introdução no circuito de Wheatstone de resistências especiais que variem com o calor de forma inversa a dos extensímetros. Um efeito normalmente presente ao ciclo de pesagem e que deve ser controlado com a escolha conveniente da liga da matéria-prima da célula de carga é o da “histerese” decorrente de trocas térmicas com o ambiente da energia elástica gerada pela deformação, o que acarreta que as medições de cargas sucessivas não coincidam com as descargas respectivas. Outro efeito que também deve ser controlado, é a “repetibilidade”, ou seja, indicação da mesma deformação decorrente da aplicação da mesma carga sucessivamente, também deve ser verificada e controlada através do uso de materiais isotrópicos e da correta aplicação da força sobre a célula de carga. Finalmente, deve-se considerar o fenômeno da “fluência” ou creep, que consiste na variação da deformação ao longo do tempo após a aplicação da carga. Este efeito decorre de escorregamentos entre as faces da estrutura cristalina do material e apresente-se como variações aparentes na intensidade da força sem que haja incrementos na mesma. 7.1.5 - Aplicações típicas e generalidades A mais popular aplicação das células de carga é nas balanças comerciais eletrônicas. Elas utilizam uma célula única, especialmente desenvolvida para suportar, sem prejuízo de medição, um esforço de torção, decorrente da carga eventualmente colocada na extremidade do prato. Outra aplicação freqüente é na pesagem de tanques e silos, que permite um controle muito preciso do material recebido, em estoque e descarregado pelo reservatório. Neste caso especial, cuidado deve ser tomado com as escadas, tubulações e eletrodutos: as primeiras não devem interconectar o reservatório ao solo e as duas últimas disporem de conexões flexíveis e, se possível diante do deslocamento vertical do reservatório. Sempre que possível, deve-se utilizar três células de carga para uma distribuição mais uniforme da carga (o quarto apoio é geometricamente redundante) e, preferencialmente, Instrumentação e Controle Capitulo 07 Sensores de Pressão 106 elas devem estar situadas acima do centro de gravidade, de forma a tornar o sistema autocentrante. Finalmente, em muitos casos que exista ação de ventos ou estruturas muito esbeltas ou existência de agitadores, deve-se prever tirantes de segurança limitantes ao deslocamento. Equipamentos de dosagem é outra aplicação importante para células de carga, em que um determinada fórmula de mistura é estabelecida através de set-points na instrumentação, que comandará abertura e fechamento de válvulas, cada vez que é retirada determinada quantidade de material de cada reservatório. Neste caso, o princípio da dosagem pode ser “contínuo” (com as células de carga instaladas em cada reservatório, subtraindo o valor descarregado do mesmo), ou por “batelada” (em que as células de carga ficam instaladas em um reservatório auxiliar, no qual os tanques, em de cada vez, descarregam o material adicionando valores de acordo com uma fórmula pré- definida). Na escolha do método de dosagem contínuo ou de batelada, deve-se levar em consideração a precisão necessária do sistema, que é definida como o erro admissível do componente de menor peso na fórmula. Obviamente que o processo por batelada conduz a uma maior precisão absoluta, dado que a capacidade nominal das células de carga que o suportam é menor do que as instaladas nos reservatórios. Por outro lado, o uso do sistema contínuo permite acessoriamente o controle do nível dos reservatórios que o compõe. A aplicação de células de carga em balanças rodoviárias, principalmente quando associadas a sistemas computadorizados, permite controle do fluxo de mercadorias a granel nos estabelecimentos industriais com a memorização do peso vazio dos veículos e a possibilidade de obtenção de até dez mil divisões da capacidade nominal da balança. Diversas soluções de dispositivos de montagem para células de carga de balanças de veículos já foram desenvolvidas, sendo a mais popular a que utilizam um par de elos, que permite cinco graus de liberdade de deslocamento para a plataforma, deixando a célula de carga inteiramente livre para receber unicamente a força vertical da carga aplicada. Instrumentação e Controle Capitulo 07 Sensores de Pressão 109 cortesia GEFRAN BRASIL 7.2 - TRANSDUTOR de PRESSÃO PIEZOELÉTRICO 7.2.1 - Princípio de funcionamento: Estes transdutores baseiam-se na propriedade do cristal de quartzo, que se deforma elasticamente, produzir um potencial elétrico em seus terminais através de certo plano cristalográfico. Com este dispositivo pode-se operar num campo de freqüência(range) de solicitação de 100 kHz com linearidade melhor que 1%; porém a tensão medida é muito pequena (ex.: 1 mV por kg/cm2 ),é por isso que o elemento piezoelétrico é sempre conectado a um amplificador eletrônico. O campo de pressão de trabalho é compreendido entre 0,1 e 5000 kg/cm3 . Figura 7.6 Instrumentação e Controle Capitulo 07 Sensores de Pressão 110 7.2.2 - Características gerais: Estes transdutores baseiam-se na propriedade do cristal de quartzo, que se deforma elasticamente, produzindo um potencial elétrico em seus terminais através de certo plano cristalográfico. Os transdutores de pressão piezoelétrico são duros, de estruturas elétricas que transformam a deflexão causada pela força em sinais elétricos que são mais convenientes para aparelhos registradores ou para o processamento. A ação da pressão num diagrama de fluxo cria a força. O elemento sensitivo piezoelétrico gera sinais de carga, que são convertidos em tensões e amplificados pelo condicionador de sinais. Os sensores de pressão piezoelétrico responde a pressão pulsante e transitórias. Eles medem pressão relativa a um nível inicial, média ou conhecido em algum ponto do processo. Eles não podem medir pressões estáticas por mais de alguns segundos, exceto sobre controle cuidadoso, temperaturas constantes e condições de laboratório. Figura 7.7 – Aspectos construtivos Alguns modelos de campo de freqüência mais alta utilizando cristal de quartzo ou turmalina pode ser calibrado estaticamente pelos métodos convencionais rápidos. Operando sobre um campo de freqüência dinâmico mais extenso do que 10000 para 1, o transdutor de pressão piezoelétrico abrange o equivalente de vários campos de freqüência ordinários. Por causa dos componentes que automaticamente eliminam sinais estáticos, os sensores piezoelétrico medem minúsculas variações na pressão em qualquer nível. Modelos sofisticados utilizam vários de modificação do comportamento, isolando, equilibrando e filtrando para reduzir a sensibilidade a entradas ambientais. Utilizando uma variedade de ambos cristais, naturais e feitos pelo homem, os transdutores de pressão piezoelétrico são utilizados em muitas formas e tamanhos. Muitos adaptadores padrões e especiais de montagem facilitam a instalação e isolam o elemento sensitivo do ambiente intenso. . Figura 7.8 - Transmissor de pressão Instrumentação e Controle Capitulo 07 Sensores de Pressão 111 7.2.3 - Especificações Abaixo estão as especificações do modelo BP, que se vê na figura seguinte: Figura 7.9 - Transmissor de pressão modelo BP Classe de precisão(%F.S.): 0,5 Campo de medição (BAR): de 0/1 até 0/35 Máxima pressão (durante 20s): 3 vezes F.S. Tensão de alimentação (Vd.c.): 12 a 30 Sinal de saída a pressão nominal: 20mA Sinal de saída a pressão ambiente: 4mA Campo de compensação: 0...+70ºC Faixa máxima de temperatura de utilização: -30...+85ºC Grau de proteção: IP65 A maioria dos sensores de pressão piezoelétrico utilizam elementos sensitivo de quartzo cristalino, por causa da sensibilidade dos mesmos a baixas temperaturas e respostas estáticas em curto tempo. Alguns possuem uma camisa de parede fina contém e oprime os elementos de cristal de quartzo. Versátil, os elementos de cerâmica feitos pelo homem, rapidamente se adaptam a formas especiais e reduz significativamente os custos em aplicações tais como microfones. Para aplicações de ondas de choque e detonação, os quais provocam ressonâncias estruturais, sensores de turmalina não acumulada anteriormente que sofre desvio próximo a zero devido à mudanças no padrão de pressão residual. 7.2.4- Comportamento Sensores de pressão piezoelétrico geralmente supera em estabilidade,linearidade e amplos campos de freqüência de operação. A resposta de alta freqüência do sensor de pressão piezoelétrico é determinado pelo comportamento ressonântico da estrutura mecânica do sensor ou pelos filtros eletrônicos, localizados interna ou externamente. A resposta de alta freqüência de modelos básicos é bastante plana, incluso nos 20% da primeira ressonância estrutural. Em alguns modelos, os filtros eletrônicos estende este plano campo de freqüência de operação, mas introduz uma defasagem. Descargas eletrônicas e circuitos de acoplamento, operando em série, controlam o comportamento da baixa freqüência dos sistemas piezoelétricos. Estes circuitos atenuam o comportamento de sinais de freqüência muito baixa, cujos cilindros desligados a baixa freqüência responde e causa sinais transitórios para declinar exponencialmente. Instrumentação e Controle Capitulo 07 Sensores de Pressão 114 Tenha-se em mente sempre que ultrapassar o limite máximo superior significa arriscar-se a estragar o tubo de Bourdon, e permanecer muito além desse mesmo limite significa perder em sensibilidade. A figura 7.9 mostra um transdutor de pressão com tubo de Bourdon em forma de “C” e um LVDT como sensor secundário. 7.4 - SENSORES DE PRESSÃO ÓPTICOS É um circuito transmissor, que opera por principio óptico, é montado num manômetro de processo com elemento elástico estável e movimento de fácil calibração. Segundo este principio, a aplicação da pressão no tubo Bourdon desloca uma palheta, que por sua vez interrompe proporcionalmente a incidência de um feixe de luz infravermelha emitido por um “LED”, sobre o primeiro de um “par casado” de fotodiodos. O segundo fotodiodo de um “par casado” recebe sempre uma mesma quantidade de luz deste feixe, gerando um sinal utilizado para compensar os efeitos produzidos pelo envelhecimento de componentes e variações de temperatura. Esse instrumento é acondicionado em caixa herméticamente selada de frente sólida com 4 ½” de diâmetro, acoplando internamente a um sistema de tubo Bourdon, um módulo eletrônico que converte o sinal da pressão em saída analógica de corrente. Instrumentação e Controle Capitulo 07 Sensores de Pressão 115 Figura 7.10 - Sensor de nível óptico a tubo de Bourdon Figura 7.11 - Sensor de nível óptico a diafragma 7.5 - SENSOR DE PRESSÃO INTEGRADO Atualmente, a metade da produção mundial de sensores de pressão são fabricados com a tecnologia de “microtrabalho” do silício ou “micromachining”. O funcionamento de todos os sensores é na grande maioria das vezes baseado em dois princípio de tradução clássicos, isto é: O piezoresistivo e o capacitivo. Instrumentação e Controle Capitulo 07 Sensores de Pressão 116 O primeiro desfruta das caracteristicas particulares dos resistores (piezoresistores), formado sobre uma lamina sutil de silicio (dafragma). Estes resistores sofrem a ação de deformação mecânica mudando o valor das suas resistencias. Figura 7.12 Estrutura de sensor de pressão. Os quatros piezoresistores se localizam no centro das membranas O diafragma é obtido cavando com reagente quimico um pequeno bloco de silício (tipo n), formando desta forma uma cavidade onde o diafragma será o fundo. Os piezoresistores são do tipo “p” e são formados na parte interna da membrana atraves do processo de difusão ou outro semelhante. A maioria dos sensores pressão se baseiam no efeito prezo resistivo e Utiliza quatro resistores ligados em ponte. Sob a ação de uma pressão, os quatros resistores se deformam, mas uma pressão em particular cujo eixo foi montado na membrana faz com que dois fiquem em pressão e dois em compressão, produzindo deste modo um desbalanceamento da ponte, e consequentemente uma tensão e sadia, diretamente proporcional a pressão que esta sujeito. O sistema de transdução pressão/tensão realizado por um só resistor é utilizado somente pela MOTOROLA. O piezoresistor vem colocado, neste caso, transversalmente com um angulo de 45º sobre uma das bordas da membrana. Figura 7.13 Símbolo e aspecto físico real