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O princípio de funcionamento de um transmissor ou sensor de pressão é bastante simples. O sensor de pressão converte o valor da pressão mecânica em um sinal elétrico proporcional. O sensor de pressão normalmente consiste em um corpo principal estável e um diafragma. O diafragma é o elemento mais importante para a medição de pressão e é equipado com estruturas de resistência sensitiva à tensão e à compressão, também conhecidas como extensômetros ou “strain-gauges”.

Processo de medição com sensores resistivos

Segunda lei de Ohm

A resistência de um condutor elétrico é definida pela equação:

O diafragma deforma-se sob a influência da pressão. Assim, os extensômetros conectados a ele são estendidos ou comprimidos e sua resistência varia de acordo com o movimento. Esta alteração de resistência é diretamente proporcional à pressão. Por exemplo, se os resistores estão conectados a uma ponte de Wheatstone, o resultado do sinal elétrico pode ser medido e transferido a um indicador.

Exemplo

Uma tração do condutor aumenta o comprimento e reduz a superfície da seção tendo como consequência um aumento da resistência elétrica, uma vez que a resistividade do material permanece constante. Uma alteração causada pela contração teria o efeito oposto. Para a realização do princípio, é utilizado um corpo de base que se altera de maneira controlada quando é submetido a pressão.

Muitas vezes, esse corpo consiste em um diafragma com uma película fina. O valor da alteração em função da pressão é medido por meio de um extensômetro, ou seja, condutores elétricos metálicos do tipo meandro. Normalmente, quatro “strain-gauges” são encontrados em um diafragma, os quais um está localizado na área de expansão, e outro na área de retração. A alteração do diafragma causa a alteração dos “strain-gauges” com o efeito de um aumento proporcional da resistência (expansão) ou uma redução (tensão). Para fazer uma medição precisa, os “strain-gauges” são conectados a um circuito chamado ponte de Wheatstone.

Sensores de pressão piezoresistivos

O princípio da medição com sensores piezoresistivos é semelhante ao dos sensores resistivos. A diferença está no uso de semicondutores como “strain-gauge”, no lugar de metal, nesse caso a alteração causa uma variação na resistividade do material. De acordo com a equação indicada acima, a resistência elétrica varia proporcionalmente à resistividade do material. Esse efeito piezoresistivo com semicondutores é de 10 a 100 vezes maior que com metal.

Os “strain-gauges” podem ser colocados em qualquer material, enquanto os semicondutores são incorporados como uma microestrutura no diafragma. Portanto, os extensômetros e a parte exposta à alteração são feitos do mesmo material. Normalmente, quatro “strain-gauges” são incorporados a um diafragma de silício para formar uma ponte de Wheatstone. Como as microestruturas não têm resistência suficiente contra vários meios de processo, o “chip” é encapsulado na maioria das aplicações.

A transmissão da pressão é realizada neste caso indiretamente, por exemplo, por meio de um diafragma metálico ou usando óleo como meio de transmissão. O grande volume do efeito piezoresistivo permite a aplicação desses sensores também para pressões muito baixas. No entanto, a alta sensibilidade aos efeitos da temperatura requer uma compensação de temperatura individual para cada sensor.

Sensores de pressão capacitivos

Fórmula de capacitância

Este princípio baseia-se na medição da variação da capacitância do sensor que varia dependendo da aproximação da superfície ativa. A capacitância de um sensor de duas placas pode ser expressa pela seguinte equação: O princípio da medição capacitiva é realizado por meio de um corpo base no qual o diafragma metálico, com revestimento metálico, constitui uma das placas do sensor. A alteração do diafragma, induzida pela pressão, reduz a distância entre as duas placas com o efeito de um aumento da capacitância, mantendo a superfície e o dielétrico constante ao mesmo.

Exemplo

Este sistema permite a medição de pressão com alta sensibilidade e, portanto, a medição de faixas muito baixas de até alguns milibar. Como o diafragma permite uma alteração máxima até se repousar na placa estática, é altamente segura contra sobrecarga. As limitações práticas são determinadas pelo material e pelas características do do diafragma e pelas técnicas de ligação e vedação.

 

 

 

 

Sensores de pressão piezoelétricos

Princípio dos sensores piezoelétricos

O princípio dos sensores piezoelétricos é baseado em um efeito físico que ocorre em alguns cristais não condutores, como o quartzo. Quando o quartzo é comprimido, ocorre polarização elétrica em superfícies opostas. A deslocalização da estrutura cristalina eletricamente carregada gera um momento dipolar que é refletido em uma carga superficial (aparente). A intensidade da carga é proporcional à força usada pela pressão, e a polaridade depende da direção. A tensão elétrica gerada pela carga da superfície pode ser capturada e amplificada. O efeito piezoelétrico é adequado apenas para a medição de pressões dinâmicas. Na prática, o uso de sensores piezoelétricos é limitado a aplicações especiais.

Nota
Mais informações sobre os transmissores e sensores de pressão, entre em contato com os especialistas da WIKA.



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