O rover de US$ 2,5 bilhões da NASA, Curiosity, está pronto para capturar os mínimos detalhes do planeta Marte. O rover foi projetado para ser altamente preciso na observação das condições ambientais, incluindo a pressão atmosférica e a força gravitacional. Para tanto, sua Unidade de Controle Instrumental ou UTI foi equipada com sensores de pressão. Esses sensores ajudarão na detecção dos Dust Devils que são uma característica do planeta e também detalharão a concentração de diversos gases na atmosfera em diversos pontos. Vamos dar uma olhada no que torna um sensor de pressão capaz o suficiente para realizar tarefas tão específicas e onde mais ele pode ser usado.
Um sensor de pressão é um dispositivo que detecta a pressão e a converte em um sinal elétrico analógico cuja magnitude depende da pressão aplicada. Como convertem a pressão em um sinal elétrico, também são denominados transdutores de pressão.
Necessidade de sensores de pressão
Desde muito tempo, os sensores de pressão têm sido amplamente utilizados em áreas como automóvel, manufatura, aviação, medições biomédicas, ar condicionado, medições hidráulicas, etc. Algumas áreas proeminentes onde o uso de sensores de pressão é inevitável são:
1. Dispositivos com tela de toque: Os dispositivos de computador e smartphones que possuem telas sensíveis ao toque vêm com sensores de pressão. Sempre que uma leve pressão é aplicada na tela sensível ao toque através de um dedo ou da caneta, o sensor determina onde ela foi aplicada e, consequentemente, gera um sinal elétrico que informa o processador. Normalmente, esses sensores estão localizados nos cantos da tela. Portanto, quando a pressão é aplicada, geralmente dois ou mais sensores atuam para fornecer informações precisas sobre a localização.
2. Indústria Automotiva: Na indústria automotiva, os sensores de pressão são parte integrante do motor e de sua segurança. No motor, esses sensores monitoram a pressão do óleo e do líquido refrigerante e regulam a potência que o motor deve fornecer para atingir velocidades adequadas sempre que o acelerador é pressionado ou os freios são aplicados no carro.
Para efeitos de segurança, os sensores de pressão constituem uma parte importante do sistema de travagem antibloqueio (ABS). Este sistema adapta-se ao terreno da estrada e garante que, em caso de travagem a altas velocidades, os pneus não bloqueiem e o veículo não derrape. Sensores de pressão no ABS detalham o processador com as condições da estrada, bem como a velocidade com que o veículo está se movendo.
Os sistemas de airbags também utilizam sensores de pressão para que os airbags sejam acionados para garantir a segurança dos passageiros sempre que o veículo sentir grande pressão.
3. Instrumentação Biomédica: Em instrumentos como monitores digitais de pressão arterial e ventiladores, são necessários sensores de pressão para otimizá-los de acordo com a saúde do paciente e suas necessidades.
4. Usos Industriais: Sensores de pressão são utilizados para monitorar gases e suas pressões parciais em unidades industriais para que grandes reações químicas ocorram em condições ambientais controladas com precisão. Na indústria do petróleo, os sensores detalham a profundidade que a plataforma petrolífera atingiu durante a exploração.
5. Aviação: Nos aviões, estes sensores são necessários para manter um equilíbrio entre a pressão atmosférica e os sistemas de controle dos aviões. Isto não apenas protege os circuitos e vários componentes internos do avião, mas também fornece dados exatos ao sistema sobre o ambiente externo. Além disso, níveis específicos de pressão do ar precisam ser mantidos na cabine e no lobby dos passageiros para fornecer condições nominais de respiração.
6. Indústria Marinha: Para navios e submarinos, são necessários sensores de pressão para estimar a profundidade em que estão operando e para detalhar as condições marítimas para que os sistemas eletrônicos possam permanecer seguros. Os requisitos de oxigênio de projetos subaquáticos também são regulados pelos sensores de pressão.
Tipos de medições de pressão
A medição da pressão pode ser relativa a um valor de referência ou numa escala absoluta.
1. Medição de pressão absoluta: A pressão medida em relação ao vácuo perfeito é denominada
como pressão absoluta. O vácuo perfeito é uma condição em que não há matéria presente na atmosfera e, portanto, não existe pressão de ar naquela região. Os sensores de pressão absoluta têm uso limitado porque é impossível atingir um estado de vácuo perfeito. Conseqüentemente, sensores baseados em medição de pressão absoluta exigem especificações rigorosas para resultados precisos. Sensores baseados neste tipo de medição são usados em medições de pressão barométrica ou relacionada à altitude.
2. Medição de pressão diferencial: Na medição de pressão diferencial, são comparadas pressões de duas posições distintas. Por exemplo, a diferença de pressão calculada medindo-a em diferentes andares de um edifício alto nos dará a pressão diferencial. Medições de pressão diferencial, normalmente feitas em libras por polegada quadrada diferencial (psid), são aplicadas quando uma grande quantidade de pressão deve ser medida. Esses tipos de medições são usados para fins de monitoramento da pressão de alimentação, onde a pressão com a qual o fluido está fluindo em um meio é monitorada, de modo que a homogeneidade no fluxo possa ser mantida.
As medições de pressão diferencial encontram uma aplicação importante no monitoramento de filtros em vários tipos de sistemas de purificação. Eles tomam como referência a pressão normal com que os filtros limpam o fluido. Sempre que os filtros enfrentam o problema de entupimento devido a contaminantes, esses sensores de pressão fornecem uma leitura relativa à pressão normal. Isso ajuda a manter o filtro limpo e operacional.
3. Medição de pressão manométrica: Pode ser definido como um subtipo de medição de pressão diferencial onde comparamos a pressão em qualquer ponto com a pressão atmosférica atual. A medição da pressão manométrica é usada em aplicações como pressão dos pneus ou medição da pressão arterial. Não há consistência nas medições de pressão manométrica porque a pressão atmosférica varia com a altitude e, portanto, suas aplicações são limitadas a medições não críticas.
Tipos de sensores de pressão
Tipos de sensores de pressão
Com base no tipo de aplicações em que são usados, os sensores de pressão podem ser categorizados em vários tipos. No entanto, a seguir estão os tipos mais comuns de sensores de pressão que têm sido amplamente utilizados:
1. Tipo de medidor de tensão: Esses sensores são semelhantes a uma ponte de pedra de trigo em seu funcionamento. Na ponte de pedra de trigo, a razão das resistências de dois braços adjacentes conectados a uma extremidade da bateria deve ser igual à dos outros dois braços conectados à outra extremidade da bateria. Quando as duas proporções são iguais, nenhuma produção é gerada pela ponte de pedra de trigo. No caso de um extensômetro, um braço da ponte de pedra de trigo é conectado a um diafragma. O diafragma comprime e expande devido à pressão aplicada. Esta variação no diafragma faz com que a saída na ponte varie. Uma tensão seria gerada proporcional a cada desvio da condição normal de equilíbrio, de modo que cada movimento de compressão ou expansão do diafragma produzirá uma saída indicando uma mudança nas condições de pressão. Como a mudança de resistência é a principal causa da diferença de potencial, esses sensores também são denominados sensores de pressão do tipo piezo-resistivo.
Figura 1: Diagrama de circuito do sensor de pressão do extensômetro de um quarto de ponte
2. Sensor de pressão capacitivo: Um capacitor possui duas placas de metal e um dielétrico imprensado entre elas. No sensor de pressão capacitivo, é permitido que uma dessas placas de metal se mova para dentro e para fora, de modo que a capacitância entre elas mude devido à variação da distância entre as placas. A placa móvel é conectada a um diafragma que detecta a pressão e então se expande ou comprime de acordo. O movimento do diafragma afetaria a posição da placa metálica fixada e a capacitância poderia variar.
Esses sensores, embora muito ineficazes em altas temperaturas, são amplamente utilizados na faixa de temperatura ambiente devido à sua saída linear.
Figura 2: Diagrama mostrando a estrutura interna do sensor de pressão capacitivo
3. Sensor de pressão piezoelétrico: Os cristais piezoelétricos desenvolvem uma diferença de potencial (ou seja, a tensão é induzida nas superfícies) sempre que são submetidos a qualquer pressão mecânica. Esses sensores possuem o cristal montado sobre uma base dielétrica para que não haja fuga de corrente. Preso ao cristal está um eixo horizontal ao qual um diafragma está conectado. Sempre que o diafragma detecta pressão, ele empurra o eixo para baixo, o que pressuriza o cristal e a tensão é produzida.
Figura 3: Imagem mostrando detalhes do sensor de pressão piezoelétrico
Especificação, limitações e desafios
Especificações do sensor de pressão
Como os sensores de pressão possuem diversas aplicações, ele possui certas especificações que são adotadas para que funcionem de maneira ideal em um determinado ambiente. Algumas das principais configurações estão listadas abaixo:
1. Faixa de medição: Isso define a pressão mínima e máxima entre as quais o sensor foi projetado para operar sem ser danificado. Este critério é mais essencial para sensores diferenciais e manométricos, pois suas medições são relativas e se a magnitude da pressão de referência estiver fora de sua faixa, eles não funcionarão.
2. Temperatura de operação: É a faixa de temperatura sob a qual o sensor funciona de maneira ideal. É sempre necessário fazer o sensor funcionar na faixa de temperatura definida para que a saída seja consistente. Em condições ambientais extremamente quentes ou frias, os sensores podem não funcionar corretamente. Isto é aplicado especialmente no caso de sensores eletrônicos de pressão que são usados em computadores com tela sensível ao toque e outros dispositivos.
3. Dimensões do sensor: Com base na aplicação, o tamanho do sensor varia de acordo com o tipo de área onde a pressão precisa ser detectada. Conseqüentemente, as dimensões do sensor são uma consideração importante durante o projeto dos sensores. Normalmente, sensores de tamanho pequeno são preferidos, pois podem ser facilmente instalados em locais difíceis, como filtros de ar.
4. Tipo de medição: Também é importante que o usuário saiba qual tipo de medição de pressão está sendo feita pelo sensor: absoluta, manométrica ou diferencial. Isso ocorre porque diferentes técnicas de medição são seguidas por diferentes métodos de processamento e, portanto, os resultados variam de acordo.
5. Precisão: Medições de pressão diferencial são a melhor maneira de tornar um sensor o mais preciso possível. Isso ocorre porque a pressão de referência está mais sob o controle do usuário do que a atmosfera, o que é o caso na medição da pressão manométrica.
6. Repetibilidade: Isso pode ser definido como a capacidade do sensor de produzir o mesmo resultado quando uma quantidade específica de pressão é aplicada repetidamente. A repetibilidade constitui uma das especificações mais importantes de um sensor. Como os sensores são específicos da faixa, a probabilidade de que eles sejam calibrados na mesma pressão é alta; portanto, os resultados devem ser reproduzidos pelo sensor para a mesma quantidade de pressão, repetidas vezes.
7. Tipo de saída gerada: A saída elétrica gerada pelo sensor pode ser de vários tipos dependendo de seu projeto e de qual é o dispositivo de saída final. Alguns formatos conhecidos nos quais a saída está sendo gerada são tensão analógica; corrente analógica, sinal digital (TTL), Interface RS232 e protocolo HART baseado em chaveamento de frequência.
8. Tempo de resposta: Isso denota o tempo gasto entre as entradas aplicadas e a saída alcançada. Espera-se que os sensores de pressão tenham um tempo de resposta pequeno para que saídas instantâneas possam ser geradas e, no caso de variações rápidas de pressão, o sistema também possa responder rapidamente.
9. Tensão de offset: A tensão de deslocamento pode ser denominada como a tensão de saída gerada quando nenhuma entrada é aplicada. No caso de sensores diferenciais, as tensões de deslocamento são geradas quando não há pressão de referência e, no caso de pressão manométrica, são geradas quando a pressão ambiente é aplicada ao sensor. As tensões de deslocamento são necessárias para reduzir o erro na saída e as saídas finais são calculadas após subtrair delas as tensões de deslocamento.
Limitações e Desafios:
Os sensores de pressão possuem diversas limitações que restringem seu uso em diversas áreas. Dependência de alta temperatura, histerese, incapacidade de deduzir variações rápidas e dinâmicas de pressão, sensibilidade às vibrações externas, irreparabilidade do conjunto da placa eletrônica, sensibilidade a campos elétricos, magnéticos e de RF, incompatibilidades com dispositivos externos são alguns desafios que um sensor de pressão geral enfrenta . Em algumas aplicações, os sensores de pressão têm precisão limitada. Por exemplo, em uma tela sensível ao toque, a sensibilidade do sensor quando vários toques são feitos é afetada, enquanto no setor de aviação a alta pressão pode limitar o funcionamento do sensor.
Sensores de pressão são essencialmente necessários para fazer um dispositivo responder às suas condições ambientais de maneira otimizada. Seus tipos e usos são muitos e continuarão a evoluir à medida que a tecnologia de sensores amadurece. O uso extensivo de sensores de pressão, como em telas sensíveis ao toque ou automóveis, degrada sua eficiência rapidamente e, portanto, a robustez dos sensores de pressão também é uma prioridade crescente da pesquisa industrial. No entanto, as ferramentas dos sensores de pressão, e como acontece com todas as outras ferramentas, devem ser usadas com cuidado e verificadas constantemente para garantir resultados de qualidade.
