Sensores de pressão elétrica

Hoje, para medir a pressão em várias áreas da indústria, são utilizados não apenas barômetros e aneróides de mercúrio, mas também vários sensores que diferem tanto no princípio de operação quanto nas vantagens e desvantagens inerentes a cada tipo de sensor. A eletrônica moderna permite a implementação de sensores de pressão diretamente em uma base elétrica e eletrônica.

Então, o que queremos dizer com o termo "sensor de pressão elétrica"? O que são sensores elétricos de pressão? Como eles estão organizados e quais funções eles têm? Finalmente, qual sensor de pressão você deve escolher para que seja mais adequado para uma finalidade específica? Vamos descobrir no decorrer deste artigo.

Primeiro, vamos definir o termo em si. Um sensor de pressão é um dispositivo cujos parâmetros de saída dependem da pressão medida. O meio de teste pode ser um vapor, um líquido ou algum gás, dependendo da aplicação de um determinado sensor.

Os sistemas modernos exigem ferramentas de precisão desse tipo como componentes importantes de sistemas de automação para energia, petróleo, gás, alimentos e muitas outras indústrias.Transdutores de pressão em miniatura são vitais na medicina.

Cada sensor de pressão elétrica inclui: um elemento sensível que serve para transmitir o choque ao transdutor primário, um circuito de processamento de sinal e um invólucro. Principalmente sensores de pressão elétrica são divididos em:

• Resistivo (tensorresistivo);

• Piezoelétrico;

• Ressonância piezo;

• Capacidade;

• Indutivo (magnético);

• Optoeletrônica.

Sensor de pressão resistivo ou extensômetro Trata-se de um dispositivo cujo elemento sensível altera sua resistência elétrica sob a ação de uma carga deformante. Os medidores de tensão são montados em uma membrana sensível que se dobra sob pressão e dobra os medidores de tensão conectados a ela. A resistência dos medidores de tensão muda e a magnitude da corrente no circuito primário do conversor muda de acordo.

Esticar os elementos condutores de cada medidor de tensão causa um aumento no comprimento e uma diminuição na seção transversal, resultando em um aumento na resistência. Na compressão é o contrário. Mudanças relativas na resistência são medidas em milésimos, então amplificadores de precisão com ADCs são usados ​​em circuitos de processamento de sinal. Assim, a tensão é convertida em uma mudança na resistência elétrica de um semicondutor ou condutor e, em seguida, em um sinal de tensão.

Strain gauges são geralmente um elemento condutor ou semicondutor em zigue-zague aplicado a uma base flexível que adere à membrana. O substrato geralmente é feito de mica, papel ou filme de polímero, e o elemento condutor é uma folha, fio fino ou semicondutor pulverizado a vácuo sobre o metal.A conexão do elemento sensível do extensômetro ao circuito de medição é realizada usando almofadas de contato ou fios. Os próprios extensômetros geralmente têm uma área de 2 a 10 mm quadrados.

Sensores de célula de carga ótimo para estimar níveis de pressão, resistência à compressão e medição de peso.

O próximo tipo de sensor de pressão elétrica é piezoelétrico... Aqui, o elemento piezoelétrico atua como um elemento sensível.Um elemento piezoelétrico baseado em um piezoelétrico gera um sinal elétrico quando é deformado, este é o chamado efeito piezoelétrico direto. O elemento piezoelétrico é colocado no meio medido e então a corrente no circuito do transdutor será proporcional em magnitude à mudança de pressão naquele meio.

Como o aparecimento do efeito piezoelétrico requer uma mudança precisa na pressão em vez de uma pressão constante, esse tipo de transdutor de pressão é adequado apenas para medição dinâmica de pressão. Se a pressão for constante, o processo de deformação do elemento piezoelétrico não ocorrerá e a corrente não será gerada pelo piezoelétrico.

Sensores de pressão piezoelétricos são usados, por exemplo, em transdutores de fluxo primário de medidores de vórtice para água, vapor, gás e outros meios homogêneos. Tais sensores são instalados aos pares em uma tubulação com abertura nominal de dezenas a centenas de milímetros atrás do corpo do fluxo e assim registram vórtices cuja frequência e número são proporcionais à vazão volumétrica e à vazão.

Considere outros sensores de pressão piezo-ressonantes... Em sensores de pressão piezo-ressonantes, funciona o efeito piezoelétrico reverso, no qual o piezoelétrico é deformado sob a ação da tensão aplicada, e quanto maior a tensão, mais forte a deformação. O sensor é baseado em um ressonador na forma de uma placa piezoelétrica, em ambos os lados dos quais são fixados eletrodos.

Quando uma tensão alternada é aplicada aos eletrodos, o material da placa vibra, dobrando-se em uma direção ou outra, e a frequência das vibrações é igual à frequência da tensão aplicada. No entanto, se a placa for agora deformada pela aplicação de uma força externa a ela, por exemplo, através de uma membrana sensível à pressão, a frequência das oscilações livres do ressonador mudará.

Assim, a frequência natural do ressonador refletirá a quantidade de pressão na membrana que pressiona o ressonador, resultando em uma mudança na frequência. Como exemplo, considere um sensor de pressão absoluta baseado em ressonância piezo.

A pressão medida é transmitida para a câmara 1 através da conexão 12. A câmara 1 é separada por uma membrana da parte sensível de medição do dispositivo. O corpo 2, a base 6 e a membrana 10 são selados entre si para formar uma segunda câmara selada. Na segunda câmara selada da base 6, são fixados os suportes 9 e 4, o segundo dos quais é preso à base 6 por meio de uma ponte 3. O suporte 4 serve para fixar o ressonador sensitivo 5. O ressonador de suporte 8 é fixado pelo titular 9.

Sob a ação da pressão medida, a membrana 10 pressiona a manga 13 na bola 14, que também é fixada no suporte 4.A bola 14, por sua vez, pressiona o ressonador sensitivo 5. Os fios 7, fixados na base 6, conectam os ressonadores 8 e 5 aos geradores 16 e 17, respectivamente. Para gerar um sinal proporcional à magnitude da pressão absoluta, é utilizado o circuito 15, que gera um sinal de saída a partir da diferença nas frequências do ressonador. O próprio sensor é colocado em um termostato ativo 18, que mantém uma temperatura constante de 40 ° C.

Alguns dos mais simples são sensores de pressão capacitivos... Os dois eletrodos planos e o espaço entre eles formam um capacitor. Um dos eletrodos é uma membrana na qual a pressão medida atua, o que leva a uma mudança na espessura do espaço entre as placas do capacitor. É bem conhecido que a capacitância de um capacitor plano muda com a mudança no tamanho do gap para uma área constante das placas, portanto, para detectar até mesmo mudanças muito pequenas na pressão, os sensores capacitivos são muito, muito eficazes.

Sensores de pressão capacitivos com pequenas dimensões permitem a medição de sobrepressão em líquidos, gases, vapor. Os sensores de pressão capacitivos são úteis em vários processos industriais que utilizam sistemas hidráulicos e pneumáticos, em compressores, em bombas, em máquinas-ferramentas. O design do sensor é resistente a temperaturas extremas e vibrações, imune a interferências eletromagnéticas e condições ambientais agressivas.

Outro tipo de sensores de pressão elétrica, remotamente semelhantes aos sensores capacitivos - indutivos ou magnéticos... A membrana condutiva sensível à pressão está localizada a alguma distância do fino circuito magnético em forma de W, no núcleo central do qual a bobina é enrolada.Um certo espaço de ar é colocado entre a membrana e o circuito magnético.

Quando uma tensão é aplicada na bobina, a corrente nela cria um fluxo magnético que passa tanto pelo próprio circuito magnético quanto pelo entreferro e pela membrana, fechando. Como a permeabilidade magnética no gap é aproximadamente 1000 vezes menor do que no circuito magnético e na membrana, mesmo uma pequena mudança na espessura do gap leva a uma mudança perceptível na indutância do circuito.

Sob a influência da pressão medida, o diafragma do sensor dobra e a resistência complexa da bobina muda. O transdutor converte essa mudança em um sinal elétrico. A parte de medição do conversor é feita de acordo com o circuito de ponte, onde a bobina do sensor está incluída em um dos braços. Usando um ADC, o sinal da parte de medição é convertido em um sinal elétrico proporcional à pressão medida.

O último tipo de sensor de pressão que veremos são os sensores optoeletrônicos… Eles são bastante simples de detectar pressão, possuem alta resolução, alta sensibilidade e são termicamente estáveis. Operando com base na interferência da luz, usando um interferômetro Fabry-Perot para medir pequenos deslocamentos, esses sensores são particularmente promissores. Um cristal conversor óptico com uma abertura, um LED e um detector composto por três fotodiodos são as partes principais desse sensor.

Filtros ópticos Fabi-Perot com uma pequena diferença de espessura são conectados a dois fotodiodos. Esses filtros são espelhos de silício reflexivo da superfície frontal cobertos por uma camada de óxido de silício, sobre a qual é depositada uma fina camada de alumínio.

O transdutor óptico é semelhante a um sensor de pressão capacitivo, o diafragma formado por corrosão em um substrato de silício monocristalino é coberto por uma fina camada de metal. A parte inferior da placa de vidro também possui um revestimento de metal. Existe um vão de largura w entre a placa de vidro e o substrato de silício, obtido por meio de dois espaçadores.

Duas camadas de metal formam um interferômetro Fabia-Perot com entreferro variável w, que inclui: um espelho móvel localizado na membrana, que muda de posição quando a pressão muda, e um espelho estacionário translúcido paralelo a ele em uma placa de vidro.

Com base nisso, a FISO Technologies produz transdutores de pressão microscópicos sensíveis com um diâmetro de apenas 0,55 mm que passam facilmente pelo orifício da agulha. Com a ajuda de um cateter, um minissensor é inserido no volume estudado, dentro do qual a pressão é medida.

A fibra ótica é conectada a um sensor inteligente, no qual, sob o controle de um microprocessador, é ligada uma fonte de luz monocromática introduzida na fibra, mede-se a intensidade do fluxo luminoso retrorrefletido, mede-se a pressão externa na sensor é calculado a partir dos dados de calibração e exibido no visor. Na medicina, por exemplo, esses sensores são usados ​​para monitorar a pressão intracraniana, para medir a pressão sanguínea nas artérias pulmonares, que não podem ser alcançadas de outra forma.