sensores de pressão

SENSORES DE PRESSOENG. EDERSON ZANCHET

MEDIO DE PRESSO - CONCEITO

A presso pode ser medida na sua forma absoluta ou pela diferena de um ponto medido

at um outro referencial, ao que chamamos de presso diferencial, trs so os tipos de presso

principais:

a. Absoluta;

b. Manomtrica;

c. Diferencial.

Alm destes, h outros trs conceitos de presso que so:

a.Presso Negativa ou Vcuo;

b.Presso Esttica;

c.Presso Dinmica ou Cintica.

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PRESSO ABSOLUTA

a presso que engloba a atmosfrica (do zero at 1 atm) e a presso exercida

pelo sistema a ser medido.

PRESSO MANOMTRICA

a medida de uma presso qualquer at a referncia da presso atmosfrica o

que significa que a presso absoluta subtrada a manomtrica, tambm conhecida

por presso relativa, isto pela relao com a presso atmosfrica.

PRESSO DIFERENCIAL

a diferena entre duas presses qualquer, no sendo relacionadas

atmosfrica e nem absoluta.

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PRESSO NEGATIVA OU VCUO

Trata-se da presso relativa menor que a atmosfrica, logo seu valor ser menor

que 1 atm.

PRESSO ESTTICA

a presso exercida por um lquido por unidade de rea exercida e que este

lquido esteja em repouso ou que esteja fluindo na direo perpendicular tomada de

impulso.

PRESSO DINMICA OU CINTICA

Presso exercida por fluido em movimento. medida fazendo a tomada de

impulso de tal forma que recebe o impacto do fluido, ou seja, fluindo na mesma direo

da tomada de impacto.

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Com relao ao princpio de medio, os principais sensores de presso aplicados na

indstria so:

1.Clula de Carga (Strain Gauge)

2.Cristal piezoeltrico

3.Tubos de Bourdon

4.Sensores eletrnicos integrados

5.Capacitivos

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CLULA DE CARGA (STRAIN-GAGE)

Apresenta estrutura mecnica projetada para receber esforos e deformar-se dentro do

regime elstico ao qual foi desenvolvida apresentando sinal de sada linear proporcional a

deformao sofrida.

Seu princpio de funcionamento baseia-se na variao de resistncia hmica conforme a

deformao sofrida pelo material.

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Figura 1 Princpio de funcionamento da clula de carga

Fonte: [7]

CLULA DE CARGA (STRAIN-GAGE)

O extensmetro eltrico de resistncia o elemento que transforma pequenas variaes de

dimenses em variaes equivalentes de sua resistncia eltrica, aplicado para medir diferentes

estruturas, como: pontes, mquinas, locomotivas, navios e associdados a instrumentos especiais

para medio de presso, tenso, forma, acelerao. A principais caractersticas dos

extensmetros so:

a. Alta preciso de medida;

b. Baixo Custo;

c. Excelente resposta dinmica;

d. Excelente Linearidade;

e. Fcil de instalar;

f. Permiti utilizao em ambientes abrasivos;

g. Permite medio a distncia.

7

Figura 2 Modelo Extensmetro

Fonte:[http://s3.amazonaws.com/magoo/ABAAAAeRgAL-0.png ]

CLULA DE CARGA (STRAIN-GAGE) - FABRICAO

A fabricao consiste na formao de camadas, processo semelhante ao de fabricao dos

circuitos integrados, em um folha de metal com espessura que varia de 3 a 8 micrmetros e

atravs da corroso qumica o desenho da grade obtido.

Os principais materiais utilizados para fabricao so o contantan e Nicromo que permitem a

obteno de valores hmicos padronizados. Para essa tecnologica tem-se dois padres de strain

gauges:

NORMAL:

Mais longo no sentido do eixo para

reduzir os efeitos da deformao

transversal

ALARGADO:

Utilizado quando as deformaes

transversais forem despresvies

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Figura 3 Fabricao do extensmetro

Fonte:[http://www.dynasen.com/images/gauges/stressstrainbidi.gif]

CLULA DE CARGA (STRAIN-GAGE) - TIPOS

De acordo com o tipo de deformao que se deseja medir as clulas de carga so divididas

em:

FLEXO (Bending): Mede as deformaes de trao ou compresso, utilizada na faixa de

0,5 a 200 quilos.

CISALHAMENTO (Shear beam): Mede as deformaes geradas por tenses de

cisalhamento atuantes, faixa de utilizao de 200 quilos a 50 toneladas.

COMPRESSO (Canister): Mede tenses de compresso geradas pela carga, usualmente

utilizada para faixa acima de 50 toneladas;

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Fonte:[http://www.onixmetrologia.com.br/media/images/editor/celulas%20de%20carga.jpg]

Figura 4 Modelos de clula de carga

CLULA DE CARGA (STRAIN-GAGE) - ESPECIFICAES

Os principais critrios que devem ser considerados para utilizao das clulas de carga so:

CAPACIDADE NOMINAL: Fora mxima que a clula de carga deve medir bem como

nveis de esforo/sobrecarga para garantir condies de segurana;

SENSIBILIDADE (RESOLUO): Relao entre a presso e/ou esforo aplicado e

resposta em sinal eltrico;

PRECISO: O erro mximo admissvel relacionado a capacidade nominal do elemento;

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As clulas de carga neste caso pode ser dividas em:

BAIXA PRECISO: at 1000 divises (0,1% da capacidade nominal)

MEDIA PRECISO: de 3000 a 5000 divises (0,03 a 0,02% da capacidade nominal)

ALTA PRECISO: 10000 divises (0,01% da capacidade nominal)

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Fonte:[http://www.polimate.com.br/poli/466-532-thickbox/texturometro.jpg]

Figura 5 Modelos de clula de carga de alta preciso


FORMATO: Conforme a aplicao, o formato da clula de carga interrage com o sistema,

condiderando se a carga apoiada (clulas do tipo viga), se a carga sustentada (tipo Z), se a

carga introduz momentos tensores na clula (tipo single-point). Em linhas gerais a forma

geomtrica da clula de carga deve conduzir a uma linearidade nas medidas.

AMBIENTE DE TRABALHO: Condies ao qual o sensor estar submetido, umidade,

temperatura, presso etc..

TEMPO DE PESAGEM: Em alguns sistemas o tempo de pesagem fundamental para o

funcionamento do processo, assim deve-se garantir essa condio pelo sensor de forma que o

valor seja estabilizada como velocidade compatvel como o processo.

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CLULA DE CARGA (STRAIN-GAGE) - ESPECIFICAES 13

Figura 6a Exemplo de clula de carga tipo Z

Figura 6b Exemplo de clula de carga tipo single-point

Figura 6c Exemplo de clula de carga tipo viga

CLULA DE CARGA (STRAIN-GAGE) APLICAES

A aplicao mais popular em balanas eletrnicas, outra aplicao frequente a pesagem

de tanques e silos, que permite o controle preciso do material recebido. As clulas de carga so

aplicadas nas mais diversas reas para verificao de deformaes sofridas como exemplo

aplicao em foguetes para verificao do comportamento do material.

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Figura 6 Exemplos de aplicao de Extensmetros e clulas de carga

Fonte:[]

CLULA DE CARGA (STRAIN-GAGE) - APLICAES

Quando existe a necessidade de se utilizar mais de uma clula de carga em uma aplicao,

a forma mais tcnica e econominamento correta a associao em paralelo.

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Figura 7 Associao em paralelo de clulas de carga

Fonte:[7]

CLULA DE CARGA (STRAIN-GAGE) - FABRICAO

Transdutores a extensmetro tm uma resposta em frequencia muito boa, podem ser

aplicados em medies dinmicas ou estticas, alimentados por CC ou CA e facilmente adaptados

a conversores A/D.

Comumente utiliza-se em clulas de carga quatro extensmetros ligados entre si,

configurados pela ponte de Wheatstone. O desbalanceamento ocorrido proporcional a fora que

a provoca.

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Figura 8 ponte de Wheatstone com extensmetros

Fonte:[7]

TRANSDUTOR DE PRESSO PIEZOELTRICO

Baseam seu princpio de funcionamento na propriedade piezoeltrica do cristal de quartzo,

no caso de deformao gera um potencial eltrico nos terminais.

17

Figura 9 transdutor de presso piezoeltrico princpio de funcionamento

Fonte:[7]

TRANSDUTOR DE PRESSO PIEZOELTRICO

Com esse dispositivo possvel operar em um campo de frequncia (range) de solicitao

de 100KHz com linearida de 1% porm o valor de tenso gerada extremamente baixo, 1mV por

Kg/cm2, por isso o elemento piezoeltrico sempre utilizado como o condicionador de sinal. A

faixa de aplicao compreende de 0,1 a 5000kg/cm3.

O sensores de presso piezoeltricos respondem presso pulsante transitria, medem a

presso relativa a um nvel inicial, media ou conhecida em algum ponto do processo. No so

adequados para medio de presso constante (estticas).

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Figura 10 transdutor piezoeltrico - exemplo

Fonte:[7]

TRANSDUTOR DE PRESSO PIEZOELTRICO - ESPECIFICAES 19

TRANSDUTOR DE PRESSO PIEZOELTRICO - ESPECIFICAES

Os sensores de presso piezoeltricos geralmente superam em estabilidade, linearidade e

amplos campos de frequncia de operao. A resposta de alta frequncia do sensor de presso

piezoeltrico determinada pelo comportamento ressonntico da estrutura mecanica do sensor ou

pelos filtros eletrnicos.

Devidos as caractersticas de funcionamento desse modelo de sensor tem aplicaes em

praticamente em todas as linhas, como sistemas hidrulicos, pneumticos, estruturas de fluidos e

processos associados, testes e modificaes do comportamento de mquinas, carros, avies,

navios, motores de reao, esterilizadores, injetoras de plastico, fornos para tratamento trmico,

refrigerao, compressores, medidores de fluxo entre muitos outros.

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TUBO DE BOURDON

Os tubos de Bourdon, geralmente, so compostos de um tubo com seo oval, disposto na

forma de arco de circunferncia, tendo uma de suas extremidades fechada e a outra extremidade

aberta e conectada ao processo cuja presso ser medida. Com a presso agindo no interior do

tubo de Bourdon, ocorre um movimento em sua extremidade fechada; esse movimento

transmitido atravs de engrenagens a um ponteiro ou mecanismo que, por sua vez, ir indicar ou

transmitir a medida de presso.

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Figura 11 Exemplo de tubo de Bourdon

Fonte:[http://www.fem.unicamp.br/~instmed/Fotos/MVC-008S.JPG]

TUBO DE BOURDON

Os dispositivos mais comuns utilizados como o sensor secundrio para verificar

deslocamento, so sensores resistivos, LVDT ptico. Os modelos industriais podem apresentar

diversos tamanhos, Eles podem ser constitudos de uma simples forma de letra C, espiral ou ainda

formato helicoidal conforme a presso a ser medida, para o tipo C de uso geral at 1000kg/cm2.

A vantagem do tipo espiral e helicoidal o aumento do movimento e consequente maior

amplitude, mais fora e resposta mais rpida.

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Figura 12 Tipos de tubos de Bourdon

Fonte:[http://4.bp.blogspot.com/_wISx8up59ws/TKuLDa9BHwI/AAAAAAAAADA/3dBw_Rj-wl0/s1600/Image603.gif]

TUBO DE BOURDON

Aplicao com tubo de Bourdon com sensor secundrio (LVDT)

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Figura 13 Tubo de Bourdon com sensor LVDT

Fonte:[7]

SENSORES DE PRESSO - OPTICO

Trata-se de um transmissor que opera por princpio ptico, montado em um manmetro de

processo elstico estvel e movimento de fcil calibrao. Uma palheta conectar interrompe

proporcionalmente a incidncia de luz Infravermelha sobre o par casado de fotodiodos. Um

segundo conjunto recebe sempre a mesma quantidade de luz desse feixa, gerando um sinal

utilizado para compensar os efeito produzidos pelo desgaste natural dos componentes e

variaes de temperatura.

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Figura 14 Sensor ptico

Fonte:[7]

SENSORES DE PRESSO - INTEGRADO

Atualmente, a metade da produo mundial de sensores de presso fabricada com a

tecnologia microeletrnica do silcio ou micromachining. O funcionamento de todos os sensores

na maioria das vezes baseados em dois prncpios clssicos: Piezoresistivo e o capacitivo.

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Figura 15 Sensor piezoresistivo com tecnologia microeletrnica

Fonte:[7]

SENSORES DE PRESSO - INTEGRADO 26

Figura 16 Sensor piezoresistivo com tecnologia microeletrnica - exemplo

SENSORES DE PRESSO - CAPACITIVO

Baseado no principio de funcionamento de um capacitor, neste instrumento a presso do

processo transmitida atravs do movimento/deslocamento do elemento mecnico elstico, cujo

interior cheio de leo ou silicone, para o diafragma sensor localizado no centro da clula.

A presso atmosfrica de referncia transmitida da mesma maneira pelo segundo

diafragma isolador para outro lado do diafragma sensor. O deslocamento do diafragma sensor (o

movimento mximo da ordem de 0,004 polegadas) proporcional ao diferencial de presso

aplicado sobre ele e que, por sua vez, variar em funo da presso aplicada nos diafragmas

isoladores.

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Figura 16 Sensor presso capacitivo

Fonte:[Autor]

SENSORES DE PRESSO - CAPACITIVO

A construo com certos materiais como cermica, pode proporcionar caractersticas

mecnicas desejveis como elasticidade, estabilidade trmica e alta resistncia.

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Figura 17 Sensor presso capacitivo - modelos

Fonte:[Autor]

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

[1] JOSE ROLDAN Manual de Medidas Eltricas, Rio de Janeiro RJ, Editora Hemus. 2000.

[2] VASSALLO, Francisco Ruiz, Manual de Instrumentos de Medidas Eletrnicas, Rio de Janeiro RJ, Editora Hemus. 1999.

[3]. SILVA, Gustavo da, Instrumentao Industrial Vol. I, 2 ed, Editora Escola Superior de Tecnologia de Setbal, 2004,

Lisboa- Portugal.

[4]. SILVA, Gustavo da, Instrumentao Industrial Vol. II, 2 ed, Editora Escola Superior de Tecnologia de Setbal, 2004,

Lisboa- Portugal.

[5] WERNECK, Marcelo Martins, Transdutores e Interfaces. 1996. Rio de Janeiro RJ, Editora LTC. 1999.

[6]. MEDEIROS FILHO, Solon de. Medio de Energia Eltrica, 4 ed. Rio de Janeiro RJ, Editora LTC. 1997.

[7] TOMAZINI, Daniel. Sensores Industriais, Fundamentos e Aplicaes, 4 ed. So Paulo SP, Editora rica. 2005.

[8] HELFRICK, Albert D. COOPER, William D. Instrumentao Eletrnica Moderna e Tcnicas de Medio, Rio de Janeiro

RJ, Editora Prentice Hall do Brasil. 1994.

EDERSON ZANCHET

Mestrando em Engenharia Eltrica e Informtica Industrial - UTFPR

Engenheiro de Controle e Automao - FAG

Departamento de Engenharia FAG

Docente Disciplina de Eletronica Industrial e de Potncia

[email protected]

[email protected]

www.fag.edu/professores/ederson

sensores de pressão

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