Como Funcionam os Sensores Absolutos de Pressão (ART2869)

Escrito por Newton C Braga

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.