Uma introdução aos sensores de pressão

Um sensor de pressão é um componente eletrônico que monitora ou detecta a pressão (força) de gás ou líquido e transforma essa informação em um sinal elétrico que pode ser usado para monitorar ou regular essa força. Para iniciar uma discussão aprofundada sobre sensores de pressão, entretanto, vale a pena começar com algumas definições fundamentais. A pressão é a magnitude da força exercida por um gás ou um líquido sobre uma área unitária de superfície. A relação entre pressão (P), força (F) e área (A) é dada pela equação P=F/A. A unidade tradicional de pressão é o Pascal, definido como um Newton (N) por metro quadrado. A pressão também pode ser descrita como a força necessária para impedir a expansão de um fluido.

Os sensores de pressão vêm em uma variedade de tecnologias, que são discutidas mais adiante neste artigo, e cada tecnologia acabará por determinar como um determinado sensor de pressão funciona. Embora muitos sensores de pressão disponíveis atualmente possam ser usados com uma ampla gama de fluidos e gases, alguns fluidos que são mais viscosos ou espessos (polpa de celulose, asfalto, óleo bruto, etc.) podem exigir sensores de pressão personalizados. No entanto, existe um tipo de sensor de pressão adequado para quase todos os cenários.

Abordando a confusão de nomes

Em um nível fundamental, sensores de pressão, transdutores de pressão e transmissores de pressão são comparáveis em função e, portanto, os termos são frequentemente utilizados de forma intercambiável. Entretanto, as principais distinções entre eles estão em seus sinais de saída.

Um sensor de pressão detecta a força da pressão e gera um sinal de saída que corresponde à magnitude da força que está sendo exercida. Um transdutor de pressão transforma a força detectada em uma saída de tensão contínua (V), enquanto um transmissor de pressão converte a força detectada em uma saída de corrente (mA).

No uso comum, os sensores de pressão podem ser referidos usando uma variedade de termos, tais como transdutores de pressão, transmissores de pressão, transmissores de pressão, indicadores de pressão, piezômetros e manômetros. Independentemente da nomenclatura dada, estes dispositivos são implementados para o monitoramento e regulação da pressão em numerosas aplicações, e também podem ser usados para medir outras variáveis, tais como fluxo de fluido/gás, altitude e nível de água.

Tipos de medição de pressão

No reino da medição de pressão e sensores de pressão, há uma variedade de termos que devem ser entendidos para garantir o desempenho ótimo do sistema e a precisão da medição. O tipo específico de sensor de pressão utilizado em sua aplicação pode ter um impacto significativo nestes fatores, já que a pressão é normalmente medida em relação a uma referência, como a pressão atmosférica ao nível do mar.

Um termo crucial é Pressão Manométrica, que é uma medida de pressão em relação à pressão ambiente ou atmosférica local. A pressão indicada é maior ou menor do que a pressão atmosférica local.

Outro termo significativo é Pressão Absoluta, que é a medida de pressão em relação a uma referência de pressão zero ou um vácuo. A medição obtida usando um sensor de pressão absoluta permanece a mesma, independentemente do local onde é medida.

A pressão diferencial refere-se à diferença de pressão entre dois pontos distintos em um sistema, que é frequentemente usada para calcular o fluxo de líquidos ou gases dentro das tubulações.

A pressão de vácuo mede uma faixa de pressão negativa em comparação com a pressão atmosférica ambiente ou local.

Finalmente, a Pressão Composta envolve a medição de pressão positiva e negativa ou de vácuo, combinando essencialmente Pressão Manométrica e Pressão de Vácuo.

Figura 1: Visualizando a relação entre a variedade de medidas de pressão. (Fonte da imagem: Same Sky)

Tecnologias comuns de medição de pressão

As origens da detecção, compreensão e medição da pressão podem ser traçadas desde o trabalho pioneiro de Galileu no final dos anos 1500 e Torricelli em meados dos anos 1600. O Tubo de Bourdon, o primeiro manômetro, foi inventado em 1849, e só em 1930 foram introduzidos os primeiros transdutores de pressão de saída elétrica. Com o crescimento da tecnologia de semicondutores, surgiu uma série de tecnologias diferentes utilizadas para detectar esta força fundamental. Aqui está uma breve visão geral das tecnologias primárias de medição de pressão e suas aplicações:

• Capacitiva: detecta alterações na capacitância elétrica causadas pela flexão por pressão de um diafragma entre as placas de um condensador.
• Indutiva: detecta pequenas deflexões de um diafragma ligado a um núcleo magnético que provoca um movimento linear no núcleo. Este movimento varia a corrente induzida e é transformado em um sinal elétrico.
• Ótica: utiliza uma fonte de luz que é gradualmente bloqueada por um aumento de pressão e um sensor que produz um sinal proporcional à mudança na luz. Os sensores de fibra ótica também podem ser usados para medir mudanças no caminho e na fase da luz causadas pela pressão.
• Piezoelétrica: um material de quartzo ou cerâmica gera uma carga elétrica variável proporcional à quantidade de compressão aplicada a ele por uma pressão externa. A tecnologia piezorresistiva mede a pressão utilizando a mudança na resistência elétrica de um material, quando este é esticado.
• Potenciométrica: utiliza um dispositivo de resistência (potenciômetro) e um braço deslizante conectado a um tubo de Bourdon. Conforme a pressão muda, o braço se move e um sinal relativo é produzido pelo potenciômetro com base no nível da força.
• Ressonante: a força aplicada a um diafragma com um fio vibratório altera a frequência ressonante do fio, que é convertida em um sinal elétrico.
• Extensômetro: transforma uma força aplicada (pressão) em uma mudança na resistência elétrica que flutua com a força aplicada. Esta resistência pode então ser medida.

Tipos de sensores de pressão

Para entender os sensores de pressão, também é importante rever os diferentes tipos disponíveis para uso em um projeto. Abaixo estão os tipos básicos, apresentados em ordem alfabética:

• Sensores de diafragma: incorporam placas metálicas finas, flexíveis e circulares que se deformam sob pressão.
• Sensores selados: usam a pressão atmosférica ao nível do mar como pressão de referência.
• Sensores de estado sólido: sem partes móveis, estes sensores usam um elemento semicondutor de comutação, como um transistor de efeito de campo, para detectar a pressão.
• Sensores de extensômetro: a resistência causada por uma mudança no comprimento devido a uma força externa é medida e convertida em um sinal elétrico.
• Sensores de filme fino: como o nome indica, estes sensores utilizam um filme fino contendo elementos resistivos que alteram a resistência devido às mudanças de comprimento e espessura induzidas pela pressão.
• Sensores de vácuo: projetados para medir pressões que estão abaixo dos níveis atmosféricos. Tipicamente, eles utilizam tecnologia piezoelétrica ou medem o volume de gás em um determinado espaço.
• Sensores ventilados: medem a pressão relativa à pressão barométrica ambiente.

Figura 2: Exemplo de um sensor de pressão que utiliza um diafragma piezoelétrico. (Fonte da imagem: Same Sky)

Considerações sobre o projeto final

Com as tecnologias, medidas e tipos de sensores de pressão anteriores em mente, aqui estão alguns critérios finais de seleção a serem considerados ao especificar um sensor de pressão para um determinado projeto. O primeiro parâmetro fundamental é a faixa de pressão operacional, que identifica a faixa de pressão segura na qual o dispositivo funcionará conforme especificado pelo fabricante. Também são considerações importantes a faixa de temperatura operacional, a pressão máxima que o sensor pode tolerar antes da falha e o tipo de saída (analógica/digital). O nível de saída, precisão e deriva, resolução, tensão de alimentação e fatores ambientais como temperatura, umidade, pressão, exposição a fluidos, radiação e distância física entre o sensor e qualquer dispositivo receptor também devem ser levados em consideração. Considerando todos esses parâmetros, um sensor de pressão apropriado pode ser selecionado para uma aplicação específica que atenda as condições operacionais necessárias e os requisitos de desempenho.

Conclusão

Como engenheiro elétrico, é importante entender que medir pressão e utilizar esses dados para controle e monitoramento de processos é crucial em muitas indústrias, tais como na fabricação e assistência médica. A detecção de pressão precisa e confiável é necessária para garantir a qualidade e segurança dos produtos e serviços. Com os avanços na tecnologia, os sensores de pressão estão agora disponíveis em vários tipos, tecnologias, tamanhos, saídas e precisões. A escolha do sensor de pressão correto para uma aplicação específica requer uma cuidadosa consideração dos parâmetros operacionais, tais como o tipo de sensor, a faixa de pressão, a faixa de temperatura, a pressão máxima, o tipo de saída, a precisão, a resolução, a tensão de alimentação e os fatores ambientais.

Felizmente, a Same Sky oferece uma linha de sensores de pressão baseados em piezo que podem atender a esses requisitos. Seus sensores estão disponíveis em vários tipos de pressão e faixas de operação, permitindo medições flexíveis e precisas.