12/03/2012. IV.2_Controle e Automação II. Introdução. Conteúdo SENSORES DE PRESSÃO

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1 IV.2_Controle e Automação II Formando Profissionais Para o Futuro SENSORES DE PRESSÃO Conteúdo Introdução Células de Carga Piezoelétrico Tubo de Bourdon Outros sensores de pressão Introdução Os sensores de pressão, muito utilizados na automação industrial, tem um papel fundamental na medição de variáveis como peso, deformação, nível e pressão efetivamente. Veremos sensores de pressão do tipo: célula de carga, cristal piezoelétrico, tubo de Bourdon, sensores eletrônicos integrados e capacitivo. 1

2 Células de carga - Definição São estruturas mecânicas planejadas para receber esforços e deformar-se dentro do regime elástico para qual foram planejadas. Embora, pequena, essa deformação é suficiente para gerar um sinal de saída linear e compatível com a carga aplicada. O princípio de funcionamento das células de carga baseia-se na variação da resistência ôhmica de um extensômetro (strain gage ou strain gauge). Sua utilização constitui um meio de medir o fenômeno da deformação como uma grandeza elétrica. Células de carga - Definição Trata-se de uma pequeno fio de condutor metálico projetado para sofrer tensões mecânicas (compressão ou tração) dentro do seu regime elástico. Tais tensões são refletidas em variações de suas dimensões que são proporcionais à variação de sua resistência elétrica. Com base na 2ª lei de Ohm, se o extensômetro é tracionado o fio condutor fica mais comprido e fino provocando o aumento de sua resistência. Caso contrário, quando submetido a compressão, o fio condutor fica mais curto e largo e consequentemente a sua resistência diminui. çã ã 2

3 Células de carga utilizam-se de extensômetro(s) ligado(s) a um circuito elétrico muito conhecido, a Ponte de Wheatstone (inclusive para evitar efeitos de temperatura). A força (pressão) aplicada na célula de carga deforma o extensômetro provocando variação de sua resistência elétrica acarretando no desbalanceamento da ponte. Este desbalanceamento por sua vez gera uma tensão elétrica que é medida por um voltímetro de alta precisão no centro da ponte. Pode ser utilizado 1, 2 ou até 4 extensômetros em uma única ponte de Wheatstone. 3

4 Os extensômetros fabricados pelo processo de impressão consistem em uma camada muito fina de folha de metálica (de 3 à 8µm de espessura) onde parte do material metálico é removido por corrosão química mantendo-se somente o desenho do extensômetro em forma de grade. Essa grade metálica, por sua vez, é fixada a um material isolante que serve como base. Os metais utilizados para fabricação de strain gages: são ligas de alta resistividade como Constantan (45% Ni 55%Cu) ou Nicromo (80% Ni 20 % Cr), que permitem obter resistências de 60, 120, 240, 350, 500, 1kΩ. 4

5 Células de carga - Tipos Os tipos de células de carga variam com o tipo de força de deformação que se pretende medir. Dividem-se em: Axial (axial) Flexão (bending) Cisalhamento (shear) Torque (torsional) Células de carga - Tipos Axial Flexão (bending) Cisalhamento (shear) Torque (torsional) 5

6 Células de carga - Tipos Células de carga - Especificações Capacidade Nominal A força máxima que a célula de carga deve medir. Sobrecarga admissível sem alteração das características Fator de Segurança sem danos de funcionamento Sobrecarga admissível sem ruptura mecânica Fator de Segurança sem danos mecânicos mas com possível danos ao funcionamento Sensibilidade A medição do desbalanceamento da ponte de Wheatstone é feita através da variação da tensão de saída em função da tensão de excitação aplicada na entrada da ponte. 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 30kg de capacidade nominal e 2mV/V de sensibilidade, com uma tensão de excitação na entrada de 10 V, quando sujeita a uma força de 30Kg apresentará na saída uma variação de tensão de 20mV. Células de carga - Especificações Precisão É o erro máximo admissível em divisões da capacidade nominal. Dividem-se em: Baixa = 1000 divisões (0,1% da capacidade nominal) Média = divisões (0,03 0,02% da capacidade nominal) Alta = divisões (0,01% da capacidade nominal) Formato De acordo com a aplicação, determinados formatos são requeridos, considerando-se se a carga é apoiada (células tipa viga) ou se a carga é sustentada (célula tipo Z), ou ainda se a carga introduz momentos torsores na célula (células tipo single point). Ambiente de trabalho Dispositivos de montagem Tempo de pesagem 6

7 Células de carga - Aplicações Balanças Comerciais Eletrônicas Balanças Rodoviárias Pesagem de tanques e silos Controle de dosagem e consequentemente controle de nível Medição de Força e/ou Torque Células de carga - Vantagens Alta precisão de medida Baixo custo Excelente resposta dinâmica Excelente linearidade Fácil de instalar Células de carga - Desvantagens Efeitos da deformação por temperatura Histerese Repetibilidade Fluência 7

8 Piezoelétrico - Definição Esses sensores baseiam-se na propriedade piezoelétrica, de alguns materiais como o cristal de quartzo, de gerarem um potencial elétrico em seus terminais quando submetidos a esforços mecânicos. A palavra piezoeletricidade significa eletricidade decorrente de pressão (piezo ou piezein vem do grego, que significa apertar ou pressionar) Quando o elemento piezoelétrico é submetido a um esforço mecânico ocorre o acúmulo de cargas elétricas de sinais contrários nas superfícies opostas do elemento gerando assim a diferença de potencial elétrico. Além do cristal de quartzo, existem outros elementos piezoelétricos como cristal artificial e piezocerâmicos. Piezoelétrico - Definição Piezoelétrico - Características A ação da pressão num diafragma de fluxo cria a força. O elemento sensitivo piezoelétrico gera sinais de carga que por sua vez são convertidos em tensões e amplificados por condicionador de sinais. Podem operar em um campo de frequência de centenas de khz com linearidade de 1% Elementos piezoelétricos só podem medir eventos dinâmicos em constante mudança. Os sensores de pressão piezoelétricos não são capazes de medir um evento contínuo estático, como medições de peso por exemplo. Eventos estáticos irão causar um sinal de saída inicial que decairá ao longo do tempo de acordo com o limite de cut-off do dispositivo. 8

9 Piezoelétrico - Características Comumente, o condicionador de sinais de um sensor piezoelétrico é composto dos seguintes elementos: conversão para um sinal de baixa impedância amplificação/atenuação do sinal filtragem do sinal Piezoelétrico - Características Piezoelétrico - Especificações Faixa de Medição Precisão Pressão de Sobrecarga Pressão de ruptura Sensibilidade Resposta em baixa frequência Frequência de Ressonância 9

10 Piezoelétrico - Aplicações Medição de pressão em diversas áreas: bombas, caldeiras, esterilizadores, geradores, prensas, unidades hidráulicas e pneumáticas, aplicações sanitárias, etc... Medição de força Medição de velocidade e aceleração Piezoelétrico - Vantagens Alta precisão Alta sensibilidade independente da faixa de medição. Por exemplo 5kN podem ser medidos com a mesma precisão com um sensor de 10kN e 150kN. Mesmo diante de altas cargas-base é possível registrar pequenas variações. Design compacto possibilita instalações em espaços limitados. Piezoelétrico - Desvantagens É necessário compensar os efeitos da temperatura Não é capaz de realizar medições estáticas 10

11 Tubo de Bourdon - Definição Consite em um tubo metálico de seção transversal elíptica ou quase elíptica tendo uma de suas extremidade em contato com a fonte de pressão e a outra conectada a um dispositivo elétrico ou mecânico que realiza a conversão para leitura. O princípio de tubo de Bourdon é muito utilizado em indicadores de pressão manométrica que não utilizam sinais elétricos, e sim um conjunto mecânico para indicação da pressão. É conhecido como manômetro O tubo de Bourdon quando utilizado para gerar um sinal elétrico é conectado a um sensor de deslocamento linear que por sua vez é conectado a um potenciômetro ou a um transformador diferencial (LVDT). Tubo de Bourdon - Definição A pressão aplicada em uma das extremidades do tubo provoca a deformação do próprio tubo e consequentemente o deslocamento da haste que está conectada a outra extremidade. O deslocamento da haste é lida por um conjunto de engrenagens e ponteiro se estivermos falando de um manômetro ou a um potenciômetro ou a um LVDT se estivermos falando de sensor eletrônico. Tubo de Bourdon - Definição 11

12 Tubo de Bourdon - Caracteríticas Os tubos de Bourdon industriais podem ter diversos tamanhos. Eles podem ser constituidos de uma simples forma de letra C, uma espiral ou ainda um helicóide dependendo da pressão a ser medida. A elasticidade do material que é empregado no tubo é fator importante, pois junto com a forma do tubo determina a sensibilidade do instrumento. Geralmente se empregam ligas de cobre e níquel por terem baixo coeficientes de dilatação por calor Tubo de Bourdon - Aplicações Medição de pressão manométrica em diversas áreas: bombas, caldeiras, esterilizadores, geradores, prensas, unidades hidráulicas e pneumáticas, aplicações sanitárias, etc... Tubo de Bourdon Vantagens e Desvantagens Vantagens Alta robustez Fácil de instalar e de calibrar Baixo custo Desvantagens Baixa Sensibilidade Sensível a sobrepressão Baixa precisão quando se lê pressões no início da escala 12

13 Sensores de pressão ópticos É um circuito transmissor que funciona por princípio óptico Utiliza-se de um tubo de Bourdon que desloca uma palheta que interrompe proporcionalmente a incidência de um feixe de luz infravermelha emitido por um LED sobre o primeiro de um par de fotodiodos. O segundo fotodiodo recebe sempre a mesma quantidade de luz desse feixe para compensar efeitos de envelhecimento e variações de temperatura Sensores de pressão integrado Atualmente metade da produção mundial de sensores de pressão é fabricada com a tecnologia microeletrônica do silício. O funcionamento de todos os sensores na maioria baseia-se em dois princípios de transdução clássicos: piezorresistivo e capacitivo. O sensor piezorresistivo desfruta das características particulares dos resistores (piezorresistores) formado sobre uma lâmina sútil de silício (diafragma). Esses resistores sofrem ações de deformação mecânica, mudando os valores de sua resistência. Sensores de pressão integrado 13

14 Sensor de pressão capacitivo O sensor de pressão capacitivo é bem menos utilizado. É composto por uma base e um diafragma. Submetendo o sensor a uma certa pressão o diafragma se contrai e aproxima-se da base variando a distância entre ambos e consequentemente variando a capacitância, ou seja, os dois funcionam como armadura de um capacitor variável. 14