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Como Funcionam os Sensores Absolutos de Pressão (ART2869)

Sensores de pressão do tipo semicondutor são utilizados numa ampla gama de aplicações que vão desde equipamento de consumo, até equipamento médico, aeroespacial e para a industria. Em outro artigo dessa mesma revista fizemos uma análise do funcionamento de diversos tipos de sensores, de uma forma mais simples, dando algumas aplicações. Voltamos agora com o mesmo assunto, mas focalizando especificamente os sensores do tipo semicondutor, usados na medida de pressão absoluta.

Nos casos mais comuns, a pressão é medida tendo por referência a pressão atmosférica normal, que é a que corresponde a atmosfera que nos cerca. Essa pressão é denominada relativa, ou se usarmos o termoinglês, ¨gage¨.

No entanto, em muitas aplicações é importante que a pressão de um determinado ambiente seja medida em relação ao vácuo. Nesse caso, o que temos é a medida absoluta da pressão.

Como na prática, no ambiente em que vivemos, é impossível obter o vácuo perfeito, a calibração de qualquer tipo de equipamento ou sensor que precise medir pressão absoluta, é um problema sério a ser considerado.

Veja que os equipamentos que “produzem” vácuo, se baseiam na retirada do ar de um ambiente através de um pistão, conforme mostra a figura 1.

 


 

 

 

Supondo que a cada movimento do pistão ele retire ar em quantidade igual a do ambiente a ser levado ao vácuo, teremos a redução da pressão à metade cada vez que isso ocorrer.

Assim, por mais que esvaziemos o ambiente, a pressão será sermpre metade da anterior e com isso nunca chegará a zero. Teremos uma progressão em que a pressão final P, será em relação à pressão Po inicial dada por:

 

P = ½ x ½ x ½ x ............. ½ Po

 

Onde o número de fatores ½ corresponde ao número de vezes que o pistão se movimenta.

 

Como Funciona

Podemos entender melhor como funciona um medidor de pressão absoluta se partirmos do funcionamento de um medidor de pressão relativa.

A pressão diferencial é medida em relação à dois ambientes, conforme mostra a figura 2.

 


 

 

 

Essa pressão pode ser expressa em libras por polegada quadrada ou então em kg por centímetros quadrados. Quando um dos ambientes tomado como referência é o ambiente, então temos uma pressão relativa ao ambiente ou à atmosfera normal, ou “gage” .

No caso da pressão absoluta, o ambiente tomado como referência é o vácuo. Esse tipo de medida normalmente é usado em barômetros ou altímetros. Para essas medidas é preciso ter uma referência fixa e não simplesmente o ar ambiente. Isso ocorre, porque a pressão ambiente muda constantemente.

Assim, definimos a pressão absoluta como aquela medida em relação ao vácuo perfeito e as unidades usadas são as da tabela abaixo, em que também temos os fatores de conversão.

 

Para converter em Multiplique por
Atmosferas bar 1.01295
atmosferas dinas/cm2 1.01295 x 106
Atmosferas in. Hg 29.9213
Atmosferas in. Água 406.86
Atmosferas Kg/cm2 1.03325
Atmosferas mbar 1012.95
Atmosferas mtorr ou micron Hg 7.6 x 105
Atmosferas Pa ou N/m2 1.01295 x 105
Atmosferas PSI ou lb/in2 14.696
atmosferas torr ou mm Hg 760
bar Atmosferas 0.9872
bar dinas/cm2 1 x 106
Bar in. Hg 29.54
Bar in. Água 401.65
Bar kg/cm2 1.02
Bar Mbar 1000
Bar mtorr ou micron Hg 7.5028 x 105
Bar Pa ou N/m2 1 x 105
Bar psi ou lb/in2 14.503861
Bar torr ou mm Hg 750.2838
Dinas/cm2 atmosferas 9.872 x 10-7
dinas/cm2 Bar 1 x 10-6
Dinas/cm2 in. Hg 2.954 x 10-5
dinas/cm2 in. Água 4.0165 x 10-4
dinas/cm2 kg/cm2 1.0200 x 10-6
dinas/cm2 mbar 1 x 10-3
dinas/cm2 mtorr ou micron Hg 0.75028
Dinas/cm2 Pa ou N/m2 0.1
dinas/cm2 psi ou lb/in2 1.4508 x 10-5
Dinas/cm2 torr ou mm Hg 7.5028 x 10-4
in. Hg Atmosferas 3.342 x 10-2
in. Hg bar 3.385 x 10-2
in. Hg Dinas/cm2 3.385 x 104
in. Hg in. Água 13.598
in. Hg kg/cm2 3.4532 x 10-2
in. Hg mbar 33.85
in. Hg mtorr ou micron Hg 2.54 x 104
in. Hg Pa ou N/m2 3385
in. Hg psi ou lb/in2 0.4912
in. Hg torr ou mm Hg 25.4
in. água Atmosferas 2.458 x 10-3
in. água bar 2.489 x 10-3
in. água Dinas/cm2 2.489 x 10-3
in. água kg/cm2 2.5396 x 10-3
in. Água in. Hg 7.354 x 10-2
in. água mbar 2.489
in. água mtorr ou micron Hg 1.868 x 10-3
in. água Pa ou N/m2 248.9
in. água psi ou lb/in2 3.612 x 10-2
in. áater torr ou mm Hg 1.868
kg/cm2 Atmosfera 0.9678
kg/cm2 bar 0.9804
kg/cm2 Dinas/cm2 9.804 x 105
kg/cm2 in. Hg 28.958
kg/cm2 in. água 393.76
kg/cm2 Mbar 9.804 x 102
kg/cm2 mtorr ou micron Hg 7.3554 x 105
kg/cm2 Pa ou N/m2 9.804 x 104
kg/cm2 Psi ou lb/in2 14.223
kg/cm2 torr ou mm Hg 7.3554 x 102
mbar Atmosfera 9.872 x 10-4
mbar bar 0.001
mbar dinas/cm2 1000
mbar kg/cm2 1.0200 x 10-3
mbar in. Hg 2.954 x 10-2
mbar in. água 0.4018
mbar mtorr ou micron Hg 7.5028 x 102
mbar Pa ou N/m2 100
mbar psi ou lb/in2 1.450 x 10-2
mbar torr ou mm Hg 0.75028
mtorr ou micron Hg atmosfera 1.316 x 10-6
mtorr ou micron Hg Bar 1.3328 x 10-6
mtorr ou micron Hg dinas/cm2 1.3328
mtorr ou micron Hg kg/cm2 1.3595 x 10-6
mtorr orumicron Hg in. Hg 3.937 x 10-5
mtorr ou micron Hg in. água 5.353 x 10-4
mtorr ou micron Hg mbar 1.3328 x 10-3
mtorr ou micron Hg Pa ou N/m2 0.13328
mtorr ou micron Hg psi ou lb/in2 1.934 x 10-5
mtorr ou micron Hg torr ou mm Hg 1 x 10-3
Pa ou N/m2 atmosfera 9.869 x 10-6
Pa ou N/m2 bar 1 x 10-5
Pa ou N/m2 Dinas/cm2 10
Pa ou N/m2 kg/cm2 1.020 x 10-5
Pa ou N/m2 in. Hg 2.954 x 10-4
Pa ou N/m2 in. água 4.018 x 10-3
Pa ou N/m2 mbar 0.01
Pa ou N/m2 mtorr ou micron Hg 7.5028
Pa ou N/m2 psi ou lb/in2 1.4508 x 10-4
Pa ou N/m2 torr ou mm Hg 7.5028 x 10-3
psi ou lb/in2 atmosferas 0.068046
psi ou lb/in2 bar 0.068948
psi ou lb/in2 dinas/cm2 6.8948 x 104
psi ou lb/in2 kg/cm2 7.0309 x 10-2
psi ou lb/in2 in. Hg 2.036
psi ou lb/in2 in. águaa 27.68
psi ou lb/in2 mbar 68.948
psi ou lb/in2 mtorr ou micron Hg 5.171 x 104
psi ou lb/in2 Pa ou N/m2 6.8927 x 103
psi ou lb/in2 torr ou mm Hg 51.71
torr ou mm Hg atmosferas 1.3158 x 10-3
torr ou mm Hg bar 1.3328 x 10-3
torr ou mm Hg dinas/cm2 1.3328 x 10-3
torr ou mm Hg Kg/cm2 1.3595 x 10-3
torr ou mm Hg In. Hg 3.937 x 10-2
torr ou mm Hg In. água 0.5353
torr ou mm Hg mbar 1.3328
torr ou mm Hg mtorr ou micron Hg 1000
torr ou mm Hg Pa ou N/m2 133.28
torr ou mm Hg psi ou lb/in2 1.934 x 10-2

 

Sensores Semicondutores

Na figura 3 temos então um sensor de pressão semicondutor visto em corte.

 


 

 

Conforme podemos observar, nesse sensor existe uma cavidade selada em que é feito o vácuo. A pressão nessa cavidade serve, portanto de referência para o sensor.

É claro que na prática, conforme explicamos, é impossível obter um vácuo perfeito. Assim, os fabricantes desses sensores esmeram-se no sentido de se obter uma pressão de referência que seja a mais próxima possível de zero.

A SensorTechnics (www.sensortechynics) , por exemplo, consegue um “vácuo” com apenas 0,0005 psi ou 25 militorr, o que é um valor extremamente baixo que serve perfeitamente para as aplicações comuns, eliminando também eventuais problemas que podem ocorrer quando um gás vestigial que exista na cavidade muda de temperatura (conforme a lei de Boyle).

 

Ajustes

No entanto, mesmo havendo uma referência fixa, os circuitos com que operam esses sensores precisam de ajustes.

Esses sensores, como o mostrado na figura 3, operam na configuração em ponte de Wheatstone.

Aplicando-se uma tensão em suas extremidades, a tensão na saída deve ser ajustada para ser zero quando a pressão externa (medida) também for zero.

Na prática, mesmo com a pressão nula, temos uma tensão offset de saída que precisa ser compensada. Isso normalmente é feito através do próprio circuito usado na medição, com base em amplificadores operacionais.

Assim, na figura 4 temos um circuito amplificador para um sensor desse tipo que tem recursos de calibração.

 

 


 

 

Como na prática não é possível obter uma pressão nula para efeito de calibração, utiliza-se de um artifício que melhor pode ser entendido com base no gráfico da figura 5.

 


 

 

O que se faz é medir a pressão em dois pontos de valor conhecidos e, através de um gráfico extrapolar o comportamento do sensor na faixa desejada. Esse gráfico, pode ajudar a determinar o erro de offset e fazer sua compensação.

 

Conclusão

Sensores absolutos do tipo semicondutor são de grande utilidade em muitas aplicações e sua confiabilidade possibilita seu uso nos casos mais críticos.

No entanto, a utilização deve ser feita com cautela e conhecimento, principalmente se levarmos em conta as dificuldades de se fazer sua calibração.

 

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