Um sensor de pressão converte as alterações mecânicas de pressão em gases ou líquidos em sinais elétricos. Os tipos mais comuns de sensores de pressão são baseados no princípio piezoresistivo, capacitivo ou piezoelétrico.
Como funciona um sensor de pressão?
Um sensor de pressão mede a pressão por a deformação de um diafragma sob o efeito da pressão. Essa deformação é convertida em um sinal elétrico por várias tecnologias de sensores, processada e transmitida a dispositivos externos para monitorar e controlar processos dependentes de pressão. A medição de pressão é uma das tecnologias mais importantes e mais frequentemente usadas para monitorar e controlar máquinas e sistemas na engenharia de processos. A Baumer oferece um amplo portfólio de sensores de pressão para uma grande variedade de aplicações.
Um sensor de pressão consiste em vários componentes principais. A estrutura de um sensor de pressão inclui um diafragma de medição que se deforma quando a pressão muda, uma área de absorção de pressão com uma abertura de entrada, vários elementos sensores (por exemplo, piezoelétricos, capacitivos ou piezoresistivos), uma unidade de processamento de sinais para amplificar e processar os sinais, um invólucro de proteção e conexões elétricas e mecânicas para conexão com dispositivos externos. Esses componentes trabalham juntos para fornecer medições de pressão precisas para várias aplicações.
Basicamente, existem diferentes tipos de sensores de pressão baseados em diferentes princípios:
Os sensores de pressão resistivos medem a pressão alterando a resistência elétrica quando um material é submetido a estresse mecânico.
Os sensores de pressão piezoelétricos geram tensão elétrica por meio do deslocamento de carga em um material piezoelétrico quando a pressão é aplicada.
Os sensores de pressão capacitivos detectam a alteração na capacitância de um capacitor causada pela deformação de uma membrana.
Os sensores de pressão indutivos medem a pressão alterando a indutância de uma bobina quando um núcleo magnético ou diafragma se move.
Os sensores de pressão com elemento Hall utilizam o efeito Hall para medir as alterações de pressão.
Os sensores de pressão MEMS utilizam estruturas micromecânicas em um chip de silício para medir a pressão.
A Baumer se especializou nos sensores de pressão resistivos e piezoresistivos amplamente utilizados. Aqui você encontrará os sensores de pressão Baumer.
Técnicas de medição de pressão
Pressão absoluta
A pressão absoluta é a pressão relativa a um vácuo completo e, portanto, é sempre positiva. Ele é medido em unidades como Pascal (Pa), Bar ou Psi (abs). A medição é realizada com sensores que usam o vácuo como referência. Os sensores usados com frequência são os sensores MEMS, os sensores capacitivos e os sensores piezoresistivos, que utilizam a deformação de uma membrana ou a alteração nas propriedades elétricas para medir a pressão.
Áreas típicas de aplicação:
Monitoramento ou controle de processos físicos em função da pressão absoluta, como a pressão do vapor em esterilizadores ou autoclaves
A pressão relativa é medida em relação à pressão atmosférica atual e pode assumir valores positivos ou negativos. Ele é especificado em unidades como Pascal (Pa), Bar ou Psi (manômetro). Os sensores de pressão relativa precisam ser calibrados regularmente e usam várias tecnologias, como sensores piezoelétricos e capacitivos, para converter as diferenças de pressão em sinais elétricos. Muitos desses sensores têm um orifício de ventilação para referência.
Força de retenção por meio de vácuo durante o manuseio da peça de trabalho
Medição de pressão em sistemas hidráulicos ou pneumáticos
Pressão diferencial
A pressão diferencial mede a diferença de pressão entre dois pontos do sistema e pode assumir valores positivos ou negativos. Ela é medida em unidades como Pascal (Pa), Bar ou Psi e usa várias tecnologias de sensor, como sensores de pressão capacitivos e piezoelétricos. Os sensores de pressão diferencial são menos dependentes das condições ambientais externas e exigem calibração regular. A pressão diferencial também pode ser medida com dois sensores separados, processando os dois sinais na unidade de controle para formar uma pressão diferencial.
Áreas típicas de aplicação:
Medição do nível de enchimento em contêineres fechados
Em materiais semicondutores, a mudança na resistência específica e, portanto, no sinal, resulta da mobilidade variável dos elétrons na estrutura cristalina. A mobilidade é influenciada pela carga mecânica. Uma membrana de aço inoxidável (encapsulamento) separa o chip de silício sensível do meio de processamento. Dependendo da aplicação, o óleo de parafina ou de silicone é usado como fluido de transmissão para a transmissão de pressão interna.
Em materiais semicondutores, a mudança na resistência específica e, portanto, no sinal, resulta da mobilidade variável dos elétrons na estrutura cristalina. A mobilidade é influenciada pela carga mecânica. Uma membrana de aço inoxidável (encapsulamento) separa o chip de silício sensível do meio de processamento. Dependendo da aplicação, o óleo de parafina ou de silicone é usado como fluido de transmissão para a transmissão de pressão interna.
Os transmissores com tecnologia de silício piezoresistivo são caracterizados pela alta precisão de medição e estabilidade a longo prazo. Graças à sua carcaça totalmente soldada, eles são duráveis e também podem ser usados em áreas de risco (ATEX).
Os sensores de pressão são adequados até mesmo para pequenas faixas de medição, especialmente para medições de nível hidrostático a partir de uma altura de 0,5 m.
O corpo da base consiste em um monólito de cerâmica com os resistores impressos na parte posterior da membrana. A pressão do ar ambiente atua como a pressão de referência nesse lado. Devido ao princípio, somente a medição da pressão relativa é possível. As células de medição de cerâmica são caracterizadas pela boa estabilidade a longo prazo e pela resistência à corrosão. Como a cerâmica não pode ser soldada à conexão de processo, é necessária uma vedação para separar os meios. Com a tecnologia de película espessa de cerâmica, quatro resistores são conectados para formar uma ponte de Wheatstone. No meio da membrana, as resistências sofrem a maior deformação quando pressurizadas, e a maior compressão nas áreas das arestas. Nas células de cerâmica, o diafragma de medição também é o diafragma de separação do meio. Não é necessário nenhum fluido de transmissão interno.
A camada de medição está localizada entre um disco de membrana de cerâmica fina e um corpo de base de cerâmica. A folga necessária para a deflexão do diafragma é criada pela lacuna especificamente gerada. O volume resultante pode ser ventilado ou evacuado com a pressão ambiente, permitindo a medição da pressão relativa ou absoluta. As células de medição de cerâmica são caracterizadas pela boa estabilidade a longo prazo e pela resistência à corrosão. Como a cerâmica não pode ser soldada à conexão de processo, é necessária uma vedação para separar os meios. Com a tecnologia de película espessa de cerâmica, quatro resistores são conectados para formar uma ponte de Wheatstone. No meio da membrana, as resistências sofrem a maior deformação quando pressurizadas, e a maior compressão nas áreas das arestas. Com células de película fina, a membrana de medição também é a membrana de separação do meio. Não é necessário nenhum fluido de transmissão interno.
O corpo básico é feito de aço inoxidável. A estrutura de resistência é criada por fotolitografia. As células de medição de película fina são caracterizadas pela excelente resistência a picos de pressão e pressões de ruptura. Mesmo pressões extremamente elevadas podem ser medidas de forma confiável mesmo com altos choques e vibrações. Com a tecnologia de camada fina de metal, são ligadas quatro resistências formando uma ponte de Wheatstone. No meio da membrana, as resistências sofrem a maior deformação quando pressurizadas, e a maior compressão nas áreas das arestas. Com células de película fina, a membrana de medição também é a membrana de separação do meio. Não é necessário nenhum fluido de transmissão interno. Em geral, a tecnologia de película fina só é oferecida para medir a pressão relativa, pois a criação de um vácuo na parte de trás do diafragma exige um grande esforço de projeto.
Dependência e tolerância à temperatura
A precisão de um sensor de pressão é fortemente influenciada pela temperatura ambiente e do meio. A tolerância de temperatura de cada sensor determina sua precisão em diferentes temperaturas.
O erro padrão de medição e/ou o desvio máximo de medição são especificados em relação a uma temperatura de referência, que geralmente é de 20 °C. No entanto, um sensor geralmente não é operado a 20 °C ou a uma temperatura constante. Isso tem um efeito correspondente sobre o erro de medição padrão e o desvio máximo de medição, que podem ser piorados como resultado.
Para condições operacionais que se desviam da temperatura de referência (por exemplo, 20 °C), o erro de medição padrão ou o desvio máximo de medição do sensor deve, portanto, ser levado em consideração. Um sensor de pressão com temperatura estável e menor precisão inicial é, em muitos casos, preferível a um sensor de pressão instável com maior precisão inicial se a temperatura de operação se desviar da temperatura de referência (por exemplo, 20 °C).
Dependência da temperatura do desvio máximo de medição
Dependência de temperatura e precisão inicial diferente; azul: sensor de pressão Baumer altamente estável, cinza: exemplos de concorrentes do mercado, tracejado azul: sensor de pressão Baumer altamente estável com precisão inicial ligeiramente inferior
Indicação de erro
A Baumer declara o "defeito máximo de erro", ou seja, estatisticamente 99,7% dos sensores cumprem a especificação. Os concorrentes podem declarar o "defeito típico de erro", no qual 32% dos produtos não cumprem a especificação.
Aqui você pode encontrar nosso guia sobre o tópico: "Interpretação correta das especificações do sensor de pressão"
O vapor quente é usado para esterilizar dispositivos e sistemas. Elementos pequenos, como um sensor (PBMH autoclavável), podem ser esterilizados numa câmara adequada (autoclave). Numa instalação maior, o vapor quente passa pelo sistema, o que é conhecido como esterilização no local, «Sterilization in place» (SIP). Um sensor deve ser concebido para ser robusto, mesmo que o seu sinal geralmente não seja avaliado durante o processo de esterilização. Deve resistir à temperatura predominante, por exemplo, 134 °C, e a pressão acima de 3 bar, durante o período de tempo correspondente, por exemplo, 30 min. A pressão e a temperatura estão fisicamente ligadas de forma direta, o que é mostrado na curva de vapor saturado.
Pressão do vapor saturado em função da temperatura
Os sensores de pressão PBMx e PFMx da Baumer são ideais para o controle do processo de esterilização. Eles fornecem valores exatos mesmo com mudanças rápidas de temperatura e, assim, regulam o processo de forma confiável através da pressão, o que resulta na temperatura necessária correspondente.
Definição das áreas de pressão
Explicação dos termos e correlações
Precisão: descreve o possível desvio de uma única medição em relação à média de muitas medições e pode ser entendida como um círculo de dispersão. Alta precisão: pequeno círculo de dispersão, baixa precisão: grande círculo de dispersão.
Exatidão: descreve a distância (desvio) entre o valor médio de muitas medições e o valor real. Elevada exatidão: pequeno desvio, exatidão baixa: grande desvio.
Erro padrão de medição: esta informação é fornecida através da configuração do valor mínimo (Best Fit Straight Line, BFSL) e descreve a precisão (círculo de dispersão).
Desvio máximo de medição: o erro padrão de medição e o desvio de um sensor.
Tabela de conversão
As unidades mais comuns de medição de pressão incluem Pascal (Pa), Milibar (mbar), milímetros de coluna de água (mmH₂O), Libras por polegada quadrada (psi) e Torr, cujas conversões são mostradas na tabela a seguir.
