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Page 1: Tubo de Bourdon e Transdutores

CECE – CENTRO DE ENGENHARIAS E CIÊNCIAS EXATAS

ENGENHARIA MECÂNICA

FRANCISCO MARIN BORTOLUZZI

EXPERIMENTOS EM SISTEMAS FLUIDO MECÂNICOS

Foz do Iguaçu

2010

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UNIOESTE –Universidade Estadual do Oeste do Paraná

CECE – Centro de Engenharias e Ciências Exatas

Campus – Foz do Iguaçu

FRANCISCO MARIN BORTOLUZZI

SENSORES DE PRESSÃO

Trabalho referente a sensores de pressão

referente à disciplina de Experimentos

em Sistemas Fluído Mecânicos

apresentado ao docente Dr. Thiago

Antonini.

Docente:

Dr. Thiago Antonini Alves

Foz do Iguaçu

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2010

SUMÁRIO

1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA......................................................................................4

2. DESENVOLVIMENTO................................................................................................5

3. CONCLUSÃO.............................................................................................................11

4. REFERÊNCIAS..........................................................................................................12

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1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Transdutor, em uma definição mais abrangente é um dispositivo que recebe um

sinal, no caso atual de pressão, e o retransmite independentemente da conversão de

energia. Tecnicamente falando é um dispositivo que transforma um tipo de energia em

outro, utilizando para isso um elemento sensor. Por exemplo o sensor pode traduzir uma

informação de velocidade em uma tensão elétrica, sendo possível então o transporte

dessa informação através de distâncias elevadas. Existem dois tipos de transdutores

como um todo, os transdutores passivos cuja energia de saída é proveniente da energia

de entrava, e existem os ativos onde dispõe de uma alimentação de energia, onde a

maior parte da energia de saída é provida pela energia de alimentação. Outra

classificação abrangente é transdutores simples onde possui apenas um estágio de

transdução entre a entrada e a saída, e o composto onde possui mais de um estágio entre

a entrada e a saída. Alguns exemplos de transdutores podem ser: um termopar onde as

diferenças de temperatura entre as junções são convertidas em tensões elétricas ou um

cristal piezelétrico onde energia elétrica é convertida em energia mecânica.

Em se tratando de pressão, o transdutor de pressão é um componente básico para

a medida de pressão. Ele tem a função de receber uma pressão mecânica sobre sua

superfície e transformar isso em um sinal elétrico.

Existem várias técnicas para realizar medição de pressão, em questão trataremos

do manômetro de Bourdon que usa o principio de que um tubo achatado tende a mudar

para um de seção circular. Apesar de essa mudança de seção ser pouco perceptível,

consegue-se grande precisão, pois se trabalha dentro da região elástica da curva

tensão/deformação do material do tubo.

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2. DESENVOLVIMENTO

2.1 Transdutores Potenciométricos

São simples e de baixo custo. Operam de maneira que um fole aciona um

potenciômetro que converte os valores de pressão em valores de resistência elétrica.

Podem operar sob diversas condições e uma vantagem é que o sinal por ter boa

intensidade e então dispensa o uso de amplificador. Porém o dispositivo produz desvios

inerentes e têm alguma sensibilidade a variações de temperatura. É usado para faixas de

pressões de 0,0035 MPa até 70 MPa com precisão na faixa de 1% do fundo de escala

desconsiderando as variações de temperatura. A figura a seguir ilustra o funcionamento

do transdutor potenciométrico.

Figura 1 – Transdutor Potenciométrico

2.2 Transdutores Capacitivos

Neste tipo de transdutor o diafragma funciona como uma espécie de armadura

comum de dois capacitores em série, então o deslocamento do diafragma devido a uma

variação pressão resulta em um aumento na capacitância de um e na redução de outro,

cuja mudança é detectada por um circuito oscilador. É possível medir pressões em vasos

fechados ou pressões manométricas.

A faixa de operação deste tipo é de pressões de aproximadamente zero (vácuo)

até 70 MPa, com variações de 2,5 MPa. Boa precisão na faixa de 0,01% e boa

estabilidade térmica. A figura 2 ilustra esse tipo.

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Figura 2 – Transdutor Capacitivo.

2.3 Transdutores de deformação

Este transdutor usa um sensor auxiliar, do tipo strain gage, que mede

deformação. Esta medida de deformação de um diafragma provocada por uma pressão

pode ser medida conforme o esquema da figura 3.

Tem uma precisão aceitável na faixa de 0,25% e uma alta faixa de pressões,

variando de 0,001 MPa até 1400 MPa.

Figura 3 – transdutor de deformação.

2.4 Transdutores Óticos

Funciona com o auxilio de um anteparo conectado a um diafragma que aumenta

ou diminui a intensidade da luz, emitida por um led, que um fotodiodo recebe. E com o

auxilio de um circuito eletrônico completa o dispositivo.

Tem uma boa precisão (0,1%) e sua vantagem é a alta estabilidade térmica,

porém as vezes é necessário um segundo fotodiodo para compensar variações da

luminosidade da fonte com o tempo. Sua faixa de operação é 0,035 MPa até 400 MPa.

A figura 4 ilustra seu funcionamento.

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Figura 4 – Transdutor ótico.

2.5 Transdutores Indutivos

O núcleo de um transformador se move de acordo com a pressão sobre o

diafragma. Supondo uma situação inicial simétrica, se uma tensão alternada é aplicada

no primário do transformador, a tensão de saída será nula porque os secundários estão

ligados em oposição. Então o desequilíbrio provocado pelo movimento do diafragma

aumenta a tensão em um secundário e diminui no outro então o circuito transforma isso

em um sinal correspondente a pressão. É conhecido por LVDT, isto é, transformador

linear diferencial e variável.

Tem boa estabilidade térmica, porém é sensível a campos magnéticos e a

vibrações. Sua faixa de operação é de 0,2 MPa até 70 MPa. A figura 5 ilustra uma das

configurações possíveis para este tipo de transdutor.

Figura 5 – Transdutor indutivo.

2.6 Transdutores piezoelétricos

Usam o efeito piezoelétrico para gerar um sinal elétrico. Então um circuito

auxiliar processa apenas a tensão gerada pelo efeito piezoelétrico, o dispositivo registra

apenas variações de pressão, uma vez que a tensão cai rapidamente em condições

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estáticas. Este efeito pode ser útil em algumas aplicações, porém há circuitos que

detectam a frequência de ressonância do cristal, sendo possível medir pressões estáticas.

São altamente sensíveis a variações de temperatura e sua instalação requer cuidados

especiais.

A figura 6 ilustra um exemplo.

Figura 6 – Transdutores piezoelétricos.

2.7 Transdutores de Fio Ressonante

Neste tipo, um fio metálico, com uma extremidade presa no diafragma, é

mantido sob tensão pelo efeito de uma mola. Então o deslocamento do diafragma varia

a tensão no fio e com isso sua freqüência de ressonância também. Uma bobina

corretamente posicionada próxima com o auxilio de um circuito apropriado, detectam a

variação e convertem em um sinal elétrico.

Sua faixa de operação pode ser de pressões baixas até 40 MPa. Tem alguma

sensibilidade com a temperatura, são sensíveis a vibrações e uma desvantagem é que a

sua saída não é linear e precisa ser compensada pelo circuito. A figura 7 mostra o

esquema de um transdutor de fio ressonante.

Figura 7 –Transdutor de fio ressonante.

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2.8 Manômetros de Bourdon

Em meados de 1849, o medidor de Bourdon foi patenteado na França por

Eugene Bourdon. Atualmente é um dos dispositivos mais usados para medição de

pressão de líquidos e gases. No ano de 1852 a patente foi vendida a Edward Ashcroft,

que desempenhou um papel importante na adoção da energia a vapor nos Estados

Unidos.

O principio de funcionamento é baseado na alteração da curvatura originada

num tubo de secção elíptica pela pressão exercida em seu interior, levando a que o tubo

tenda a se desenrolar. Então este tubo tem uma das extremidades fechadas e ligadas a

um mecanismo que permite transformar o “desenrolar” do tubo em movimento de

ponteiro para medida da pressão.

Os tubos podem ter três formar diferentes, sendo em espiral quando necessário

baixas pressões, hélice quando é usando em altas pressões e o tipo tubo em C. A figura

8 mostra um exemplo.

Figura 8 – Bourdon tipo C.

A precisão dos manômetros Bourdon é de cerca de 0,1% para fundo de escala.

Em pressões mais baixas, para aumentar a precisão é usado o Bourdon do tipo Hélice ou

helicoidal, conseguindo-se obter uma precisão de 0,01% fsd.

A calibração deste tipo de manômetro é muito importante, o ajuste zero é feito

colocando-se o ponteiro no valor mínimo da escala com o tubo de Bourdon em estado

de repouso, isto é, pressão interna do tubo igual à pressão atmosférica.

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A principal vantagem do uso do tubo de Bourdon é seu baixo custo e sua alta

longevidade.

2.9 Calibração de transdutores

Para a obtenção de dados precisos com um transdutor de pressão existe uma

série de passos necessários antes da coleta dos dados. Antes de começar é importante

que haja uma tensão apropriada e uma faixa de pressão apropriada, zeragem do

transdutor e amplificadores.

O transdutor e o amplificador associado a ele devem ser zerados antes de

calibrar. Todos os transdutores podem produzir um pequeno desvio que precisa ser

removido antes da calibração. Se estiver usando fluido, o tubo deve ser totalmente

preenchido com liquido antes da calibração e a torneira deve ser aberta para o ar.

Sempre certificando-se que não há bolhas dentro do tubo. Outro caso é se estiver usando

um cateter de pressão Millar, é preciso anexar o cateter com o amplificador usando o

método adequado e então pré-mergulhar a ponta do cateter em água. Este último caso é

mais utilizado na medicina.

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3. CONCLUSÃO

Com o desenvolvimento deste trabalho foi possível obter um maior

conhecimento sobre os transdutores e manômetros de Bourdon, uma vez que são

dispositivos amplamente usados na engenharia mecânica. É interessante ressaltar que

para cada faixa de temperatura é usado um tipo diferente de transdutor de pressão, como

por exemplo para altíssimas pressões da ordem de 1000 MPa é usado um transdutor de

deformação, que através de seu princípio de uso é capaz de suportar altas pressões. Pelo

outro lado, para aferir baixas pressões é utilizado o transdutor de fio ressonante, que

suporta pressões de no máximo 40 MPa. Ressaltando isso, é possível visualizar o papel

do engenheiro dentro da indústria, que é saber diferenciar cada aplicação e conhecer o

equipamento que melhor se encaixa no trabalho que se deseja realizar. Sempre

obedecendo a regra de custo-benefício que é um dos fatores que mais ditam regras no

mercado atual.

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4. REFERÊNCIAS

http://www.mspc.eng.br/fldetc/press_120.shtml - Acessado em 08/11/2010.

http://www.brighthub.com/engineering/mechanical/articles/53147.asp -

Acessado em 08/11/2010.

http://florianopolis.ifsc.edu.br/vnoll/transdutores1.pdf - Acessado em

08/11/2010.

http://www.mspc.eng.br/fldetc/press_120.shtml - Acessado em 08/11/2010.

http://www.demec.ufmg.br/Grupos/Gamset/Labbio/tmcf05.pdf - Acessado em

08/11/2010.

http://www.eq.uc.pt/~lferreira/BIBL_SEM/global/bourdon/Pdf/bourdon.pdf -

Acessado em 08/11/2010.

http://inventors.about.com/library/inventors/blbourdon.htm - Acessado em

08/11/2010.

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