Apostila Transdutores

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1) Medio de Fora e Torque

LABMETRO - Departamento de Engenharia Mecnica - UFSC1) Medio de Fora e Torque

1.1) As Grandezas Fora e Torque

Fora uma medida da interao entre corpos. Diversas formas de fora podem ser encontradas na natureza, tais como foras atmicas, eletromagnticas e gravitacionais, entre outras. A fora uma grandeza vetorial, sendo definida por magnitude e direo.Pelo sistema internacional, a unidade de fora newton (N) e definida como a unidade de fora que fornece massa de 1 kg uma acelerao de 1 m/s2 . No conveniente, na prtica, produzir uma acelerao esta acelerao de 1m/s2 uma massa de 1 kg para realizar o padro de fora de 1 N, usando assim o artifcio de massas conhecidas que quando sujeitas fora gravitacional local, resultam em foras conhecidas. A maquina para realizar tal experimento a mquina de peso morto.Torque uma medida de quanto a fora atuando sobre um objeto resulta em uma rotao no mesmo. Em outras palavras podemos dizer que torque o produto vetorial entre a distncia do ponto do eixo de rotao ao ponto de aplicao da fora e a fora aplicada (equao 1). As variveis podem ser vistas na figura 1.

[1]

Figura 1 - Torque

Segundo o sistema internacional a unidade de torque newton-metro (N.m). O torque tambm uma grandeza vetorial, definida pela magnitude e direo.

1.2) Transdutores Eltricos de Fora

Um sistema de medio de fora geralmente composto por um transdutor e a correspondente instrumentao necessria para ler a mudana no mesmo. Na prtica um transdutor de fora uma cadeia de vrios transdutores, por exemplo, a fora atua sobre um cilindro de metal que comprimido, a mudana nas dimenses vai alterar a resistncia eltrica dos extensmetros colocados na superfcie do cilindro e a instrumentao mede esta mudana de resistncia.

O cilindro, neste caso, considerado o elemento elstico, mas muitos outros tipos de elementos elsticos ou combinaes deles podem ser utilizados. A aplicao da fora no elemento elsticos causa uma deflexo e esta deflexo ento sentida pelo transdutor secundrio que converte isto em uma sada. Esta sada pode ser na forma de um sinal eltrico como no caso de extensmetros de resistncia conectados em ponte de Wheatstone ou indicaes mecnicas no caso de anis de prova. Neste trabalho iremos explorar somente os transdutores eltricos.A classe de transdutores eltricos de fora est intensamente ligada a extensmetros resistivos e materiais piezoeltricos, por sua viabilidade comercial e outras boas caractersticas, que podem ser vistas tambm na tabela 1. Outros tipos de transdutores eltricos de fora so transformadores diferenciais de variao linear (LVDT), transdutores capacitivos, extensmetros pticos, transdutores de interferncia ptica e transdutores indutivos (Magneto-elasticos). Um resumo das caractersticas dos transdutores eltricos citados pode ser visto na tabela 1.

Tabela 1 Caractersticas dos transdutores

Transdutores de fora com extensmetros resistivos:

Os extensmetros resistivos devem ser conectados no elemento elstico para que a deformao resulte em uma mudana de resistncia que pode ser lida e utilizada para calcular a fora atravs de uma calibrao deste sistema de medio. importante ressaltar que a disposio destes extensmetros muito importante uma vez que na maioria das vezes s se deseja medir a fora aplicada em uma dada direo.

Existem uma srie de extensmetros de resistncia disponveis para diversas aplicaes, alguns deles vo ser brevemente comentados abaixo:

Extensmetros de lmina / folha metlica (120 5k)Estes so os extensmetros mais utilizados por serem baratos e de fcil fabricao, sendo os materiais normalmente utilizados ligas de nquel, cobre, platina, entre outros;

Extensmetros semicondutores (120 5k)Estes extensmetros tm uma sensibilidade muito melhor os outros extensmetros, porm so no lineares. So utilizados em situaes onde se buscam pequenos transdutores; Extensmetros de filme fino (em torno de 10k)Estes extensmetros tm um processo de fabricao que envolve tcnicas de manufatura avanadas, o que os torna viveis economicamente somente para aplicaes em larga escala; Extensmetros de fio (60 - 350);Este extensmetro composto por um fio metlico ainda utilizado em aplicaes de transdutores impostos a altas temperaturas e para a anlise de tenso mecnica.O projeto que utilize os extensmetros resistivos deve incluir uma anlise que leve em conta o tamanho, o auto-aquecimento e a potencia requerida.Para maximizar a resposta do transdutor, como j foi dito, normal conectar um ou mias extensmetros para selecionar a direo da fora que o sistema sensvel e para conect-los em ponte.

Na figura 2 pode-se ver algumas configuraes, onde R1, R2, R3 e R4 representam os extensmetros utilizados.

Figura 2- Algumas configuraes com uso de extensmetros

Quando conectados na configurao de ponte de Wheatstone tem-se a vantagem de minimizar a interferncia do ambiente (como a temperatura) e de realizar uma medio diferencial. A mudana de resistncia detectada pela tenso na sada da ponte, como pode ser visto na figura 3. Alm da sada, na figura 3 pode-se visualizar o arranjo de extensmetros em um tpico transdutor comercial.

Figura 3 Ponte de Wheatstone

Normalmente necessria proteo para os extensmetros, para o elemento elstico e para os componentes eletrnicos associados, pois eles podem estar expostos ambientes hostis. Alguns produtos comerciais com extensmetros de resistncia podem ser vistos abaixo:

.Figura 4- Produtos comerciais

Transdutores de fora com extensmetros piezeltricos:

Quando uma fora exercida sobre um cristal piezoeltrico, cargas eltricas so formadas na superfcie deste cristal com a devida proporo taxa de variao da fora aplicada. Como os cristais piezoeltricos operam com pequenas cargas eltricas, para fazer uso deste dispositivo um amplificador de carga necessrio, fornecendo assim um sinal de tenso eltrica com amplitude razovel na sada e impedncia correta tal que possam ser conectados outros instrumentos na sada. Esta configurao pode ser vista na figura 5:

Figura 5 Cristal piezoeltrico + amplificador de carga

Os sensores de cristais piezoeltricos so diferentes da maioria dos outros sensores, porque eles so sensores ativos, no necessitam de alimentao e tambm porque precisam de uma pequena deformao mecnica para gerar um sinal com uma tima resposta em freqncia (at 100 kHz). Existe um pequeno escoamento da carga no amplificador de carga, o que chamado de deriva do sinal. Assim os sensores piezoeltricos tornam-se muito utilizados para medies dinmicas de fora, porm no muito teis em medies estticas. Medies podem ser realizadas no perodo de alguns minutos ou at algumas horas, no passando disto, e por isso podem ser empregados em medies quasi-estticas.Cristais piezoeltricos podem ser empregados em medies em ambiente laboratorial ou industrial, sua faixa de medio ampla, seu tamanho pequeno, operam em uma larga faixa de temperaturas e a vida til grande devido ao fato de suportar sobrecargas maiores que 100% do valor de final de escala.Duas coisas so muito importantes quando tratamos com cristais piezoeltricos, a pr-carga, necessria para deslocar a atuao para uma rea de maior linearidade, e a calibrao aps a montagem final.Duas figuras podem ser vistas abaixo. A figura 6 mostra os elementos constituintes de um transdutor piezoeltrico em uma configurao especfica e a figura 7 mostra o aspecto de um produto comercial:

Figura 6 - Transdutor piezoeltrico

Figura 7 Produto comercial

Uma aplicao especial com os cristais piezoeltricos so os transdutores de fora piezoeltricos multi componente para a medio de foras em trs eixos ortogonais. A figura 8 mostra o principio de operao deste transdutor.

Figura 8 Multi componente

A fora F atua sobre o transdutor e transmitida para cada um dos trs discos com a mesma magnitude e direo. Cada anel de cristal piezoeltrico foi cortado ao longo de um eixo especfico e a orientao deste eixo coincide com a do eixo da componente de fora a ser medida. Cada um deles produz uma carga proporcional componente de fora especfica deste disco e a partir disto calcula-se a fora pelo mesmo processo j citado anteriormente.

Transdutores indutivos (Magneto-elsticos)

Os transdutores magnetoelsticos pertencem ao tipo de transdutores indutivos, nos quais a permeabilidade magntica relativa dos materiais ferromagnticos muda quando se aplica uma carga neles. A mudana, sempre de carter anisotrpico, resulta numa variao da impedncia da bobina localizada no transdutor, ou numa mudana da impedncia de transferncia no casso de vrias bobinas. As propriedades ferromagnticas e mangnetoelsticas dependem fortemente do campo e a freqncia da excitao magntica aplicada no material. A tabela 2 apresenta uma relao dessas propriedades para os principais materiais usados nestes transdutores.

Tabela 2: Propriedades de materiais magneto-elsticos

NOTA: Os valores d1r, d2r e d3r representam os coeficientes complexos de sensibilidade.

Os transdutores magnetoelsticos so usados freqentemente em clulas de carga como assim tambm em transdutores de torque. Estes transdutores no so muito populares ainda, essencialmente devido a sua baixa exatido. Porm, a exatido no o fator dominante em transdutores que medem fora e torque ao mesmo tempo. Pequenas dimenses, construo mais simples e baixo custo so nesses casso os fatores dominantes. A configurao de um transdutor deste tipo pode-se observar na figura 9.

Fig. 9 Configurao do transdutor mangetoelstico combinado.

O transdutor magnetoelstico combinado permite medir fora e torque sobre um eixo ao mesmo tempo, sempre e quando a configurao do transdutor seja a adequada. preciso lembrar que os efeitos dos esforos normais e tangenciais esto superpostos na sada do sinal gerado pelo transdutor, portanto existe a necessidade de realizar uma calibrao especfica para cada grandeza. As curvas de calibrao para este tipo de transdutor pode-se observar na figura 10Devido ao prprio principio de funcionamento dos transdutores magnetoelsticos, a curva de resposta altamente no linear, o que dificulta a operao destes transdutores. Circuitos complexos de linearizao so necessrios, embora seja possvel utilizar os transdutores em faixas de freqncias que fornecem uma melhor resposta linear.

Fig. 10 Curvas de calibrao para o transdutor combinado (fora e torque respectivamente)

Os parmetros caractersticos dos transdutores magnetoelsticos so:

Tipo de transdutorFaixa de medioIncerteza tpica (% do valor final de escala)Sensibilidade temperatura e faixa de operao (% do valor final de escala)

Magneto-elastic2 kN a 50 MN0.5% a 2%0.03% a 0.05% (-40 C a +80 C)

Clulas de carga:

O tipo mais comum de transdutores de fora. Os fabricantes em geral chamam de clulas de carga os transdutores de fora empregados em balanas. As clulas quase sempre baseadas num elemento elstico e em transdutores resistivos ou indutivos de deslocamento ou de deformao. Esses transdutores so comumente ligados na configurao de circuito de ponte de Wheastone.

Fig. 11 Clulas de carga comumente usadas na indstria

A forma geomtrica e o mdulo de elasticidade do elemento elstico determina a magnitude da deformao produzida pela fora aplicada nele. Cada extensmetro responde deformao local, e a medio de fora determinada pela integrao de cada um destas medies individuais.As capacidades nominais das clulas de carga vo deste 5 N at no mais de 50 MN, virando os sistemas de medio de fora mais amplamente utilizados. Eles podem ser utilizados com dispositivos indicadores de alta resoluo como padres de transferncia da grandeza fora.Na figura 12 pode-se observar uma relao dos principais tipos, faixas de medio, classes, aplicaes, vantagens e desvantagens das clulas de carga.

Fig. 12 Tipos, faixas de medio, classes, aplicaes, vantagens e desvantagens das clulas de carga.

O elemento elstico:

A forma do elemento elstico usado na clula de carga depende de uma srie de fatores incluindo a faixa de foras aplicveis, limite dimensional, performance final e custos de produo. A figura 13 apresenta uma seleo de elementos elsticos com suas respectivas capacidades nominais. Cada elemento projetado para medir foras atuando ao longo do seu eixo principal, e para no ser afetados por outras foras externas como cargas laterais. As setas na figura indicam os eixos principais de cada elemento. O material usado para o elemento elstico geralmente ao, ao inoxidvel, alumnio ou cobre-berlio. O objetivo utilizar um material que apresente uma relao linear entre tenso (fora aplicada) e deformao (sada) com um pequena histerese e baixo creep na faixa de medio. O material tambm tem que apresentar um alto nvel de repetitividade entre ciclos de fora para assegurar que a clula de carga um dispositivo confivel. Para lograr isto, o material usualmente tratado termicamente. Isso pode incluir um tratamento de calor baixo zero para atingir uma estabilidade mxima.

Fig. 13 Diferentes tipos elementos elsticos e suas capacidades nominais

As clulas de carga com configurao tipo em S apresentam os elementos sensores da carga montados na viga em balano. Os extensmetros so colocados no topo e na parte inferior da viga para medir as tenses de compresso e trao. A figura 14 apresenta uma indicao qualitativa da distribuio das tenses de corte e normais na viga em balano. Na faixa elstica da clula de carga, as tenses de corte esto linearmente relacionadas carga aplicada, na configurao de viga em I. Este tipo de viga apresenta vrias vantagens, como baixo creep tempo de resposta menor.

Fig. 14 Distribuio das tenses no elemento elstico tipo S (vista em corte)

Os extensmetros utilizados nas clulas de carga apresentam diferentes configuraes para poder suprir as necessidades especficas de cada aplicao. Embora o principio de funcionamento de todos eles seja o mesmo, as formas construtivas, o nmero de elementos resistivos o indutivos em uma mesma base de sustentao e a disposio desses elementos que muda de um extensmetro a outro.Os extensmetros de folha simples (linear gauge) so muito utilizados nos circuitos impressos e para medir cargas normais superfcie. Os extensmetros para medir torque apresentam uma configurao a 90 tipo roseta. (figura 15)

Fig. 15 Diferentes tipos de configurao dos extensmetros tipo folha

Medio de fora dinmica:

A fora dinmica aquela que muda com o tempo. A medio de quaisquer valor instantneo requer que a freqncia de resposta do sistema de medio de fora deva ser o suficiente para possibilitar o seguimento da fora. A definio de freqncia de resposta a mxima freqncia senusoidal da fora aplicada que o sistema pode medir com o nvel de exatido requerida. Alm disso, se o transdutor ser usado com foras flutuantes, a vida em fatiga deve ser considerada. A freqncia de resposta de um transdutor de fora afetada pela natureza da estrutura mecnica do elemento elstico, includo o transdutor. O transdutor de fora montado numa estrutura rgida ter uma freqncia natural de oscilao, e os erros dinmicos viraro maiores enquanto a freqncia da vibrao se aproxima com esta freqncia. Nas aplicaes de medio de fora dinmica, os transdutores piezeltricos so os mais utilizados, devido a sua alta freqncia de resposta e a sua baixa influncia na dinmica da fora atuante. Outras vantagens so sua baixa deformao relativa (aprox 0.001 mm) e alta rigidez.

Fig. 16 Projeto de acelermetro com elementos piezeltricos.No momento, no existe um procedimento padro para a calibrao dinmica de fora. A sensibilidade do transdutor de fora obtido estatisticamente assumida como aplicvel para medies de fora dinmica. por isto que os fornecedores destes transdutores geralmente no ministram informao confivel do comportamento no domnio da freqncia.

Alguns pesquisadores tm proposto alguns procedimentos de calibrao nas aplicaes onde a variao no tempo da fora assim o requer. O mtodo da comparao parece ser o mtodo mais utilizado, o qual se baseia na comparao do transdutor a calibrar com outro transdutor em srie com um comportamento bem conhecido, baixo as mesmas condies de carga. Na figura 17 pode-se observar o resultado da calibrao dinmica de um transdutor de fora no domnio do tempo e a freqncia.

Fig. 17 Curvas caracterstica da dinmica de transdutores de fora.

O LVDT (linear variable differential transducer) outro tipo de dispositivo com a capacidade de ser utilizado na medio de fora dinmica. O LVDT pode ser utilizado na clula de carga para medir o deslocamento do elemento elstico ao invs de utilizar extensmetros. O LVDT essencialmente um transformador que fornece uma corrente alternada como funo do deslocamento de um ncleo magntico separado. A baixo atrito e a massa leve do ncleo resulta numa resoluo alta e uma histerese reduzida, fazendo deste dispositivo ideal para medio de fora dinmica.Os principais parmetros a levar em conta na seleo de um transdutor de fora a ser utilizado em aplicaes dinmicas so:

Comportamento baixo condies de sobrecarga Proteo ambiental Carga de choque mxima Deflexo Freqncia de resposta Fatiga

1.3) Transdutores Eltricos de Torque

Introduo:

A grandeza torque medida a partir do sensoriamento de deformaes num eixo, causado por uma fora de toro, ou pela deteco dos efeitos dessa deformao. A superfcie do eixo submetido a foras de tenso e compresso mostrada na figura abaixo:

Fig. 18: Avaliao da grandeza torque

Para a medio de torque, so utilizados extensmetros, usualmente montados em pares sobre o eixo, um responsvel pela deteco do aumento do comprimento na direo em que a superfcie esta sob tenso, o outro mede a reduo do comprimento na outra direo.Sensores de torque em geral, consistem em estruturas mecnicas, formadas por um conjunto de extensmetros dispostos em ponte. Tm custo elevado e baixa confiabilidade, o que dificulta sua aceitao na indstria. Modernas tecnologias, porm, tem diminudo os custos para a realizao de medidas de torque e aumentado sua confiabilidade a partir do monitoramento de outras propriedades dos materiais influenciadas pelo torque.

Medio de torque em eixos rotativos:

Torque pode ser medido tanto com extensmetros fixos ao eixo de rotao como com sensores estacionrios de efeito magntico. Sensores rotativos apesar de mais baratos apresentam a dificuldade de serem montados sobre o eixo de rotao, o que nem sempre possvel devido ao espao fsico e por aspectos de balanceamento dos eixos. Outra problemtica de sensores rotativos a coneco da fonte de alimentao e da prpria sada do sinal proporcional ao torque, que em muitos casos feita atravs de anis deslizantes, que geram muito rudo e esto sujeitos desgastes.A soluo encontrada na maioria dos casos utilizar um acoplamento magntico (sem contato) entre os extensmetros (parte em rotao) e o circuito de alimentao e aquisio do sinal de sada(parte estacionria), como mostrado na figura abaixo

Fig. 19: Circuito usado na medio de torque

Tanto a alimentao do circuito quanto a sada gerada pelo sensor, so modulados na freqncia de rotao do eixo, o que no impossibilita o funcionamento, haja vista, o demodulador utilizado para a filtragem do sinal.Outra propriedade que pode ser utilizada como alternativa para a medio de torque em eixos rotativos, sem a necessidade de contato, a variao da permeabilidade magntica do material que forma o eixo, quando este submetido a tores. Quando o eixo esta sem carregamento a permeabilidade magntica uniforme, sob toro, tanto permeabilidade quanto nmero de linhas de fluxo magntico aumentam proporcionalmente ao torque. Essa variao pode ser detectada atravs de sensores magnetoestritivos que so compostos por enrolamentos primrios colocados ao lado do eixo em movimento que produzem um campo magntico que utiliza como meio o prprio eixo em rotao. A variao da permeabilidade magntica detectada por enrolamentos secundrios tambm dispostos ao lado do eixo. Outros tipos de sensores utilizam este mesmo princpio apenas se valendo de ims permanentes para a produo do campo magntico que ser captado pelas bobinas secundrias.Sensores sem contato para medio de torque a partir de propriedades magnticas so mais sensveis e apresentam boa confiabilidade, mas apresentam a desvantagem de fazerem medies relativas a situao de eixo sem carga, dessa forma sua performance fica associada a uma boa calibrao antes da aquisio da medida.

Fig. 20: Transdutor comercial para medio de torque

Presso1. IntroduoA presso uma das variveis mais importantes no controle de processos nas diversas aplicaes e atravs dela torna-se possvel analisar uma srie de outras variveis, tais como: volume, vazo e densidade. Estudaremos aqui as caractersticas metrolgicas dos principais mtodos utilizados na medio de presso, assim como alguns detalhes de funcionamento das principais tecnologias disponveis no mercado atualmente.

2. Um Pouco de Histria

Em 1640, Duque de Toscana convidou Leonardo da Vinci para usar uma bomba de suco para irrigar seus jardins. O lenol fretico encontrava-se a 15 metros da superfcie. Porm, o sistema de suco tinha a capacidade de elevar a gua no mximo 10 metros. Leonardo da Vinci ficou surpreso com a descoberta e no soube solucionar o problema. Conhecido pelos seus famosos engenhos, Galileu Galilei foi ento procurado para entender o fenmeno e solucion-lo. Ele concluiu que a coluna de gua no suportava seu prprio peso e declarou como solucionado o problema. Motivado pelo fenmeno ocorrido, em 1643 o fsico Evangelista Torricelli fez uma experincia usando um tubo de 1 metro de comprimento preenchido com mercrio e selado de um dos lados, enquanto do outro lado foi colocado em contato com mercrio em uma cuba. A coluna de mercrio desceu at cerca de 760 mm. O fenmeno foi atribudo devido fora vinda da superfcie terrestre e o espao deixado no tubo foi chamado de vcuo. Foi, com isso, inventado o barmetro. O Francs Blaise Pascau usou o barmetro cinco anos mais tarde para provar que a presso do ar diminua com o aumento da altura, fazendo o experimento no alto de uma montanha. Em 1650, a primeira bomba de ar eficiente foi inventada por Otto Von Guericke, que foi usada por Robert Boyle para experimentos sobre compresso e descompresso. Aps 200 anos, Joseph Louis Gay-Lussac provou que a presso de um gs proporcional sua temperatura quando submetido presso constante. Em 1849, Eugene Bourdon inventou o Tubo de Bourdon que usado at hoje para medies de presso relativa conforme visto na figura 1.

Figura 1 - Tubo de Bourdon.Este instrumento tem o funcionamento parecido com o do brinquedo lngua de sogra, de forma que este quando soprado desenrola-se devido presso exercida pelo ar. No caso do Tubo de Bourdon, a presso gera um movimento que transmitido ao ponteiro indicando a medida da presso.Atualmente, com o avano da tecnologia digital, uma gama de novos equipamentos para diversas aplicaes foi desenvolvida, em especial os transdutores de presso.A caracterizao da presso tem sua importncia fundamental quando esta passou a ser mensurada. O transdutor de presso tem a funo de sentir a variao de presso e traduzir essas mudanas em valores mensurveis indicados em um mostrador.

3. Definio de PressoA presso (p) geralmente definida como sendo o quociente entre uma fora normal (FN) pela rea da superfcie (A) sobre a qual esta fora atua.

Equao (1) A unidade de presso no Sistema Internacional de Unidades SI o pascal (Pa), porm em muitas ocasies costuma ser representada por outras unidades: bar, atm (atmosfera), psi (libras por polegada quadrada), kgf/cm2, etc. A converso das unidades d-se conforme a tabela 1 abaixo.

Tabela 1 Converso de unidades de presso.

de extrema importncia definir alguns termos caractersticos no que diz respeito medio com transdutores de presso: Vcuo total: Ausncia completa de matria; no h, portanto, foras capazes de acarretar presso; Vcuo: So os valores de presso medidos no intervalo que compreende o vcuo total e a presso atmosfrica (1 atm); Presso atmosfrica: a presso exercida na superfcie terrestre devido ao peso dos gases que a envolvem e usualmente definido ao nvel do mar como 101,36 kPa ou 1 atm, sendo este valor sujeito a variaes de acordo com a altitude da localidade em questo; Presso absoluta: a presso medida e expressa em relao ao vcuo total; Presso relativa ou manomtrica: a presso medida e expressa em relao ao valor da presso atmosfrica.

Abaixo segue um quadro comparativo para melhor compreender os termos definidos acima.

Figura 2 Comparao entre os termos relativos presso.

Presso diferencial: a diferena entre dois valores da grandeza medida, sendo representada pelo smbolo P. Essa diferena de presso pode ser claramente entendida como o efeito resultante de duas presses opostas em uma barreira de separao, conforme o esquema abaixo:

Figura 3 Ilustrao de presso diferencial.

Ao se tratar de fluidos em escoamento fechado, surge a necessidade do discernimento de trs novos tipos especficos de presso: Presso esttica ou real: a presso que o fluido de fato sofre fruto da fora de reao das paredes do meio que restringe seu escoamento, pode ser medida atravs de um orifcio na tubulao; Presso dinmica: a presso decorrente da transformao de energia cintica do fluido em dinmica, atravs de uma desacelerao isoentrpica do mesmo; Presso total ou de estagnao: o valor correspondente soma das presses esttica e dinmica. A sua medio feita atravs da tomada de presso voltada contra o escoamento e alinhada com as linhas de corrente, de forma a receber o impacto do fluido;Tais definies podem ser ilustradas atravs do esboo abaixo:

Figura 4 Esquema dos diferentes tipos de presso em escoamento fechado.

No decorrer do texto, os termos esttica e dinmica sero usados devido outra aplicao. Quando ocorre a medio de presses que variam ao longo do tempo, chama-se esse tipo de medio dinmica de presso. Caso a presso no varie, utiliza-se o termo medio esttica de presso. A seguir sero descritos os mtodos mais utilizados para medio de presso, assim como suas caractersticas metrolgicas no qual d a possibilidade para o leitor definir qual o modelo mais adequado ao seu uso.

4. Medio de Presso

H sculos que se conhecem mtodos mecnicos de medio de presso. Os manmetros de tubo em U foram os primeiros medidores de presso. Originalmente, estes tubos eram feitos de vidro e as escalas eram adicionadas conforme fosse necessrio.

Figura 5 Manmetro de Tubo em U.

Mas os manmetros so largos, tornando-se incmodos, e no esto bem ajustados para integrao nas cadeias automticas de controle. No entanto, os manmetros encontram-se usualmente no laboratrio, ou so usados como indicadores locais. Dependendo da presso de referncia usada, podem indicar presses absolutas, atmosfricas e diferenciais.J os transdutores de presso, ou sensores eletromecnicos de presso, convertem um movimento gerado por uma fora aplicada em um sinal eltrico. Estes sensores so mais teis e adaptveis do que os medidores mecnicos, especialmente quando aplicado em sistemas de aquisio de dados e controle.O sinal eltrico de sada, em transdutores bem projetados, diretamente proporcional a presso aplicada. Para medies dinmicas de presso, onde h variao rpida, as caractersticas de freqncia do transdutor devem ser consideradas.Frequentemente se utilizam termos como medidor, sensor, transdutor e transmissor de presses. O termo medidor de presso refere-se usualmente a um indicador que converte a presso detectada, em um movimento mecnico de um ponteiro. Um transdutor de presso pode combinar o elemento primrio de um medidor com um conversor mecnico/eltrico ou mecnico/pneumtico e um fornecimento de potncia. Um transmissor de presso um pacote padronizado de medio de presso que consiste em trs componentes bsicos: um transdutor, seu fornecimento de potncia e um condicionador/retransmissor de sinal que converte o sinal do transdutor numa sada padronizada. Os transmissores de presso podem usar sinais pneumticos (3 a 15) psi, eletrnicos (4 a 20) mA ou ainda eletrnicos digitais. Sensores Utilizados na Medio de PressoEm geral os sensores so classificados conforme a tcnica usada na converso mecnica da presso em um sinal eletrnico proporcional. Todas as tecnologias tm um s propsito que transformar a presso aplicada em um sensor em um sinal eletrnico proporcional a mesma: Extensomtricos Piezo-eltrico Potenciomtrico Capacitncia Varivel (Capacitivos) Relutncia Varivel Ressonante ptico Outros4.1.1. Transdutores ExtensomtricosOs transdutores de presso extensomtricos ou strain gages so bastante difundidos. So utilizados para medies de faixa estreita e diferenciais sendo que ao colocar de um dos lados do diafragma presso atmosfrica ou vcuo, pode-se medir presso relativa e absoluta, respectivamente. Estes transdutores so feitos de metal e podem ser de dois tipos quanto localizao: Colados diretamente sobre a superfcie onde ocorre a deformao. Eles podem ser fios ou folhas metlicas e so os mais utilizados. Veja figura 6 (esquerda); No colados sobre a superfcie onde ocorre a deformao, com os fios fixados paralelamente a superfcie. Veja figura 6 (direita).

Figura 6 - Extensmetros colados sobre a superfcie (esquerda) e no colados (direita).

Os dispositivos mais utilizados para transformar a presso aplicada em deslocamento (deformao) so os diafragmas, que podem ser planos ou esculpidos de acordo com a necessidade [1/2/3/7].Estes transdutores so interligados em um circuito tipo Ponte de Wheatstone (figura 7) ajustada e balanceada para condio inicial, e que ao ter os valores de resistncia das fitas extensomtricas mudados com a presso, sofre desbalanceamento proporcional variao desta presso. O circuito de ponte deve ser alimentado em duas extremidades opostas. Essa alimentao, em muitos casos, realizada com tenso alternada, de maneira a minimizar os efeitos termoeltricos dos cabos de conexo. Essa funcionalidade, porm, no pode ser utilizada em medies de alta freqncia, sendo, nesses casos, imprescindvel a alimentao com tenso contnua [19].

Figura 7 - Representao esquemtica de uma placa com fita extensomtrica e um circuito tipo Ponte de Wheatstone.

Metais que possuem baixo coeficiente de expanso trmica so utilizados na confeco destas fitas extensomtricas, para que exista uma relao linear entre resistncia e tenso em uma faixa mais ampla. Vrios so os metais utilizados na confeco da fita extensomtrica. Podem ser encontrados transdutores com incertezas que variam de 0,1% a 0,25% da faixa de medio mais uma deriva temporal de cerca 0,25% da faixa de medio a cada seis meses e trmica de 0,25% da faixa de medio a cada 540C. A Tabela 2 mostra alguns destes metais.

DENOMINAOCONSTITUIO (LIGA)FAIXA DE TEMPERATURA

ConstantanCobre-Nquel(10 a 204) C

KarmaCobre-Nquel AditivadoAt 427 C

479 PtPlatina-TungstnioAt 649 C

Nichrome VNquel-CromoAt 649 C

Tabela 2 - Metais utilizados na confeco de fitas extensomtricas.

Alm de extensmetros metlicos, a tecnologia de semicondutores vem sendo utilizada no desenvolvimento de transdutores de presso, sendo estes denominados transdutores piezorretistivos, que utilizam o efeito piezorresistivo que acontece em certos materiais semicondutores, como silcio e germnio, com o intuito de obter maior sensibilidade e nvel de sada. O chamado efeito piezorresistivo consiste na variao da resistncia do elemento utilizado como sensor, a partir da aplicao de uma determinada deformao, neste caso gerada por uma presso. Eles podem ser fabricados para ter variaes de resistncia positivas ou negativas quando deformados e podem ser feitos fisicamente menores mantendo sua resistncia nominal [2/5/6/7].Pontes com estes sensores podem ter at 30 vezes mais sensibilidade do que as que utilizam extensmetros metlicos, porm so sensveis temperatura, difceis de compensar e possuem uma resposta no linear. Alm disso, h a possibilidade do material utilizado para a confeco do extensmetro semicondutor no ser compatvel com alguns fluidos, como no caso do silcio. Em aplicaes onde necessria maior confiabilidade, os extensmetros metlicos so mais utilizados, mas quando a sensibilidade importante e as variaes de temperatura so pequenas, os semicondutores levam vantagem. Podem ser utilizados na faixa de operao de 21 kPa a 100 MPa.

Tabela 3 - Comparao entre extensmetros metlicos e piezorresistores.

Os transdutores de presso piezorresistivos foram os primeiros dispositivos MEMS (Sistemas Microeletromecnicos) desenvolvidos (figura 8). Nos ltimos anos, a tecnologia de micro fabricao evoluiu bastante e estes micro dispositivos (MEMS) foram integrados a circuitos integrados (CI). Uma dificuldade encontrada que os parmetros do piezorresistor so dependentes da temperatura. Para solucionar isto, os fabricantes fazem a compensao atravs de um circuito eletrnico condicionador de sinais com um laser ajustado [4].

Figura 8 - Um transdutor de presso piezorresistivo integrado a um CI.

4.1.2. Transdutores PiezoeltricosO material piezo-eltrico um cristal que produz uma tenso diferencial proporcional a presso a ele aplicada. Este material acumula cargas eltricas em certas reas de sua estrutura cristalina, quando sofrem uma deformao fsica, por ao de uma presso. A piezo-eletricidade foi descoberta por Pierre e Jacques Curie em 1880.A medio de presso utilizando este tipo de transdutor se baseia no fato dos cristais piezoeltricos produzirem internamente um potencial eltrico ao sofrerem uma deformao elstica ao longo do seu eixo axial, causando um fluxo de carga eltrica em um circuito externo. Estes transdutores so utilizados na medio de presses dinmicas, pois produzem uma sada em carga somente quando submetidos a uma alterao da carga mecnica a qual esto submetidos. Assim, esses sistemas no so aplicveis a medio de grandezas puramente estticas. Estes transdutores possuem timo tempo de resposta, assim como, resposta em alta frequncia. Portanto, so bastante indicados para medies onde a presso varia rapidamente, como exploses, choques, pulsos de presso (como em motores de foguetes e compressores), entre outros. A quantidade eltrica produzida proporcional presso aplicada, sendo ento essa relao linear o que facilita sua utilizao. Algumas caractersticas importantes dos sensores de presso piezoeltricos so: Pelo fato de se utilizar o efeito piezoeltrico de semicondutores, reduz-se o tamanho e peso do transdutor, sem perda de exatido; Devido a sua alta impedncia de sada, circuitos condicionadores de sinal (que ficam juntos do transdutor) so necessrios; No necessita de fonte de alimentao externa (sensor auto-gerador) para o transdutor, apenas necessria alimentao externa para o circuito condicionador de sinais; Possuem acelermetros integradores e massas ssmicas construdos na pilha de cristais que compensam os sinais causados por vibraes ou choques, produzindo um sinal de polarizao inversa ao sinal produzido pela presso sobre o diafragma; Larga faixa de temperaturas de operao; Baixa sensibilidade a campos eltricos e magnticos.Estes transdutores podem medir presses que vo de 0,7 kPa at 70 MPa, incertezas tpicas so da ordem de 1% da faixa de medio mais uma deriva trmica de 1% da faixa de medio a cada 540 C.Cristais de turmalina, cermica policristalina sinttica, quartzo e quartzo cultivado podem ser utilizados na sua fabricao, porm o quartzo cultivado o mais empregado por apresentar caractersticas ideais de elasticidade e linearidade.

Figura 9 Simplificao do funcionamento de um transdutor de presso piezoeltrico.

4.1.3. Transdutor Capacitivo (Clula Capacitiva)A alterao da capacitncia tambm um dos mtodos mais utilizados para se converter presso em um sinal eltrico. baseado na deteco de deflexo de membranas, utilizando elementos capacitivos. Placas metlicas so dispostas prximas ao diafragma, cuja deflexo provoca variaes na separao entre os eletrodos. As placas paralelas so separadas por um meio dieltrico.

Figura 10 Representao esquemtica de um transdutor de presso tipo clula capacitiva.

Para que ocorra a medio, o circuito eletrnico alimentado com corrente alternada atravs de um oscilador e ento modulada a freqncia ou a amplitude do sinal em funo da variao de presso para assim, ter a sada como um sinal de corrente analgica ou digital. Como lquido de enchimento utiliza-se normalmente glicerina, ou fluor-oil (leo- flor).Outro exemplo de configurao de transdutor capacitivo apresentado na figura 11. O transdutor formado pelos seguintes componentes: Armaduras fixas metalizadas sobre um isolante de vidro fundido; Dieltrico formado pelo leo ou lquido de enchimento; Armadura mvel (diafragma sensor).

Figura 11 Representao esquemtica de um transdutor de presso tipo clula capacitiva.

Uma diferena de presso entre as cmaras de alta (High) e de baixa (Low) produz uma fora no diafragma isolador que transmitida pelo lquido de enchimento, ento este transdutor pode medir presses diferenciais, relativas e absolutas, dependendo apenas de qual presso colocada na cmara de referncia. A fora atinge a armadura flexvel (diafragma sensor) provocando sua deformao alterando, portanto, o valor das capacitncias formadas pelas armaduras fixas e a armadura mvel. Esta alterao medida pelo circuito eletrnico que gera um sinal proporcional variao de presso aplicada cmara da cpsula de presso diferencial capacitiva.Transdutores capacitivos so muito utilizados, em parte, devido a sua grande faixa de medio, podendo medir desde presses prximas do vcuo at presses de cerca de 70 MPa. Incertezas que variam de 0,01 % a 0, 1% do valor do fundo de escala, mais uma deriva trmica de 0,25 % do FE, podem ser encontradas. Estes transdutores possuem respostas lineares, sendo os mais indicados em instrumentao e controle de processos. Algumas de suas vantagens: Ideais para aplicaes de baixa e alta presso. Minimizam o Erro Total Provvel e conseqentemente a variabilidade do processo. Ideais para aplicaes de vazo. Por sua resposta linear, permite alta faixa de medio com exatido.Como desvantagens, pode-se citar a necessidade de circuitos mais sofisticados, sensibilidade relativamente grande a mudanas de temperatura, e grande sensibilidade a interferncias eletromagnticas. Alm disso, muitas vezes necessrio lidar com capacitncias parasitas da mesma ordem de grandeza da capacitncia nominal do transdutor.A figura 12 apresenta um exemplo de construo de um transdutor capacitivo, modelo LD400, do fabricante Smar. Figura 12 Exemplo de construo de um sensor capacitivo.

4.1.4. Transdutor Indutivo (LVDT)Outro transdutor de presso bastante utilizado o transformador diferencial de ncleo varivel, ou LVDT (Linear Variable Differential Transformer). Este sensor consiste em uma bobina primria (bp) e duas bobinas secundrias (bs1 e bs2) ligadas em oposio de fase e um ncleo de ferro-doce disposto simetricamente com relao s bobinas. Quando o sistema est em repouso, as tenses induzidas em bs1 e bs2 so idnticas, sendo a resultante V2 igual a zero. Quando h presso aplicada, ocorre o deslocamento do ncleo, provocando tenses diferentes em bs1 e bs2 e consequentemente, V2 ser diferente de zero.

Figura 13 Representao esquemtica de um transdutor de presso indutivo

Transdutores de presso indutivos esto disponveis com incerteza de 0,5% do fundo de escala e faixa de medio de (0 a 70) MPa. Eles podem detectar presses absolutas, relativas e diferenciais. Suas maiores limitaes so causadas pela sensibilidade a vibrao e a interferncia magntica [1/5].

4.1.5. Transdutor PotenciomtricoO transdutor potenciomtrico de presso fornece um mtodo simples para obter uma sada eletrnica desde o instrumento mecnico de medio [5]. O equipamento consiste de um potencimetro de preciso (exatido), cujo brao est mecanicamente ligado ao Bourdon ou a um elemento embaixo deste. O movimento do brao atravs do potencimetro converte a deflexo detectada mecanicamente pelo sensor em uma medio de resistncia, utilizando um circuito de Ponte de Wheatstone (figura 15).

Figura 14 Representao esquemtica de um transdutor de presso potenciomtrico.

A natureza mecnica das ligaes conectadas entre o brao e o tubo de Bourdon introduz erros inevitveis neste tipo de medio. Os efeitos da temperatura causam erros adicionais por causa das diferenas nos coeficientes de dilatao trmica dos componentes metlicos do sistema. Alguns erros tambm podem acontecer devido ao desgaste e aos contatos dos componentes.Os transdutores potenciomtricos podem ser extremamente pequenos e instalados em lugares apertados, como por exemplo, dentro de uma caixa com dimenses de (102 x 127) mm do dispositivo mostrador. Eles tambm fornecem uma sada robusta que pode ser lida sem amplificao adicional. Isto lhe permite ser usado em aplicaes de baixa potncia, alm ter um custo baixo. Os transdutores potenciomtricos podem detectar presses entre (35 kPa e 70 MPa). Sua incerteza est entre 0,5 % e 1 % da faixa de medio, sem incluir a deriva e os efeitos trmicos [1].4.1.6. Transdutor pticoTransdutores de presso pticos possuem algumas vantagens em relao aos eltricos: no so sensveis a interferncias eletromagnticas e so bastante adequados para operao em ambientes hostis, onda h altas temperaturas e vibraes [20].Os transdutores de presso pticos so instrumentos de medio que detectam movimentos minuciosos devido a mudanas na presso e geram um sinal eltrico proporcional [1]. Um LED usado como fonte de luz, e uma aleta bloqueia parte da luz enquanto movida pelo diafragma (figura 16).

Figura 15 Representao esquemtica de um transdutor de presso ptico.

medida que a presso move a aleta entre a fonte de luz e o diodo de medio, a quantidade de luz infravermelha recebida varia.Estes transdutores so imunes aos efeitos da temperatura e por causa da pequena quantidade de movimento necessria para a medio (menor que 0,5 mm), a histerese e repetitividade so aproximadamente zero.Os transdutores de presso pticos no precisam de muita manuteno. Eles apresentam uma tima estabilidade e so projetados para medies de longa durao, alm disso, esto disponveis nas faixas de medio de 35 kPa at 413 MPa com uma incerteza de 0,1 % da faixa de medio. Existem tambm alguns mtodos que utilizam as propriedades das fibras pticas para medio de presso, onde se destacam o mtodo da interferometria e o baseado em redes de Bragg.

Transdutores de presso interferomtricos:

Os principal mtodo de medio por interferometria o EFPI (Extrinsic Fabry-Perot Interferometry). Transdutores baseados em EEPI utilizam uma cavidade de Fabry-Perot formada entra a face polida de um extremo de uma fibra ptica e uma superfcie refletora. A luz conduzida pela fibra; quando chega extremidade, parte da luz refletida no dioptro fibra/ar (R1 na figura 16); o restante da luz se propaga pela cavidade, sendo refletida de volta para dentro da fibra pela superfcie de reflexo (R2 na figura 16). A maneira com que ocorre a interferncia entre esses dois feixes refletidos dependente da distncia entre o extremo da fibra e a superfcie refletora. Em outras palavras, a interao entre as duas ondas de luz modulada pela largura da cavidade Fabry-Perot. No outro extremo da fibra, esse sinal ento demodulado, sendo convertida em um valor de distncia (largura da cavidade) [21].

Figura 16 EFPI (conceito).

Uma outra alternativa frente EFPI a interferometria de luz branca. Sua utilizao devido sua imunidade a erros e rudos causados por dobras da fibra ou flutuaes da fonte de luz. A tecnologia vem sendo utilizada em aplicaes mdicas, pois alm da grande capacidade de miniaturizao, apresentam imunidade a interferncias eletromagnticas, facilmente encontradas em ambientes mdicos.

Transdutores de presso FBG (Fiber Bragg Grating):

Os transdutores de presso FBG tm como elemento bsico fragmentos de fibra ptica nos uqais foram gravadas redes de Bragg. Esses fragmentos de fibra podem ser utilizados como elementos sensores de temperatura, deformao, presso, entre outras grandezas. A rede de Bragg funciona como um filtro passa-banda para o sinal ptico ao qual ela submetida. O sinal refletido pela rede contm um poico; o comprimento de onda no qual se encontra esse pico denominado comprimento de onda Bragg (). O princpio de funcionamento bsico dos transdutores FBG a deteco da variao de , a qual proporcional s alteraes da grandeza de interesse, no caso, a presso [22].A rede de Bragg uma pertubao peridica do ndice de refrao ao longo de um determinado comprimento de fibra ptica. A rede formada pela exposio da fibra a um intenso padro de interferncia ptica [22]. A figura 17 apresenta, esquematicamente, uma rede de Bragg, onde representa o comprimento de onda Bragg, referente ao pico do espectro refletido pela rede. O valor do ser alterado se houver variao nas propriedades da fibra, como deformao ou temperatura, que ocasionar uma variao do ndice de refrao ou do padro da rede.

Figura 17 Esquema da fibra ptica gravada com rede de Bragg [22].

4.1.7. Transdutores de Presso Fio-RessonanteOs transdutores de presso fio-ressonante (figura 18) consistem em um fio preso por um lado num ponto esttico e no outro, a um diafragma. Um circuito oscilador faz com que o fio oscile em sua freqncia de ressonncia. Uma mudana na presso sobre o diafragma altera a tenso do fio, alterando tambm sua freqncia de ressonncia. Um contador digital detecta esta variao na freqncia [1].Variaes so detectadas com uma exatido muito grande, por isso, este tipo de transdutor pode ser utilizado em aplicaes onde se necessita medir pequenas presses diferenciais, assim como, presses relativas e absolutas. A vantagem mais significativa destes transdutores que eles geram um sinal digital que pode ser enviado diretamente para um microprocessador. Algumas de suas limitaes so: Sensibilidade a temperatura; Sinal de sada no-linear; Alguma sensibilidade a choques e vibraes.Estas limitaes podem ser minimizadas com a utilizao de um microprocessador para compens-las. Estes transdutores podem medir presses absolutas de at 10 mm Hg e relativas maiores que 42 MPa, com incertezas de 0,1 % da faixa de medio, deriva trmica de 0,2 % a cada 538 C e deriva temporal de 0,1 % a cada seis meses.

Figura 18 Transdutor de presso Fio-Ressonante

4.1.8. Tecnologia SAWUm dos problemas dos transdutores que vinham sendo utilizados para medio da presso em pneus a necessidade de serem alimentados por uma bateria, a qual uma massa adicional significativa no pneu, h necessidade de substituio peridica, e h problemas quanto ao tratamento dos rejeitos [8]. Essa questo levou intensificao das pesquisas relacionadas a transdutores de presso wireless; da a importncia crescente dos transdutores de presso baseados na tecnologia SAW Surface Acoustic Wave [9]. Esses transdutores baseiam-se na alterao de propriedades de ondas acsticas se propagando na superfcie de materiais piezoeltricos, devido ao das grandeza que se deseja medir.Dispositivos SAW so componentes microacsticos constitudos por um substrato piezoeltrico. Na superfcie plana e polida desse substrato so depositadas pequenas estruturas metlicas. Essas estruturas metlicas so, tipicamente, de dois tipos: IDT (Interdigital Transducers) e grades de reflexo. A funo do IDT transformar a onda eletromagntica emitida por um radar em uma onda acstica; a onda eletromagntica recebida atravs de uma antena conectada ao IDT. A onda acstica se propaga pelo material piezoeltrico, sendo parcialmente refletida pelas grades de reflexo dispostas no substrato. As ondas refletidas so novamente convertidas em ondas eletromagnticas, pelo IDT, e retransmitidas para o radar. Por fim, os sinais recebidos pelo radar so analisados [9],[10].A figura 19 ilustra o princpio de funcionamento dos transdutores SAW.

Figura 19 Esquema de um sistema SAW

Os dispositivos SAW podem ser utilizados como transdutores na medida que alteraes nas grandezas de interesse (fsicas ou qumicas) gerem uma variao nas propriedades de propagao da onda acstica. Esse efeito utilizado, por exemplo, para medies de temperatura, presso e torque. H casos em que a grandeza de interesse influencia diretamente as propriedades da onda acstica. Porm, para medir grandezas como presso, torque, deformao ou acelerao, so necessrios componentes mecnicos adicionais alm do simples substrato, tornando o projeto mecnico do transdutor mais complexo [9], [10].Transdutores de presso SAW possuem, a exemplo dos transdutores de presso convencionais, um diafragma que sofre deflexo sob ao da presso aplicada em sua superfcie. Entre o diafragma e uma outra placa de cobertura formada uma cavidade hermeticamente selada que contm a presso de referncia. comum que o diafragma e a placa de cobertura sejam do mesmo material (comumente quartzo), minimizando assim a sensibilidade temperatura [9], [10]. Essa estrutura bsica pode ser visualizada na figura 20.

Figura 20 Desenho esquemtico de um transdutor de presso SAW.

O projeto mecnico desse tipo de transdutor, principalmente no que concerne s dimenses do diafragma, questo no trivial. Diversos artigos [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16] relatam a utilizao de programas FEM (Finite Element Method) para determinar a geometria do transdutor, devido dificuldade de determinar, analiticamente, o comportamento do tipo de material utilizado nesses transdutores. O dimetro (no caso de diafragmas circulares) e a espessura timos do diafragma so determinados pelas exigncias de faixa de presso e comportamento dinmico [17].Em [11] e [18] relata-se o desenvolvimento de prottipos de transdutores baseados nos princpios anteriormente relatados. O prottipo apresentado em [11] fruto de uma parceria entre a Siemens e as Universidades de Viena e Linz (ustria); o prottipo apresentado em [18] foi desenvolvido pela empresa Transense, sediada no Reino Unido.Existe um tipo de transdutor de presso baseado na tecnologia SAW que, porm, pode ser denominado de hbrido, visto que utiliza tambm uma outra tecnologia de transduo. Esse transdutor, conforme apresentado em [8], utiliza a tecnologia SAW para transmisso do sinal e transduo de temperatura, utilizando, porm, um elemento capacitivo como transdutor de presso. Devido s suas dimenses e custo reduzidos, tambm proposta a utilizao desse transdutor para monitorar presso em pneus, conforme ilustrado na figura 21.

Figura 21 Sistema SAW utilizado como TPMS.

A justificativa para a utilizao de um elemento capacitivo ao invs de um SAW para a transduo da presso a drstica miniaturizao que o transdutor de presso capacitivo proporciona; os autores de [8] tambm afirmam haver adequao s exigncias da indstria automotiva: baixo custo, alta confiabilidade, pequenas dimenses e massa. No artigo menciona-se que tentativas anteriores de utilizar um transdutor baseado somente na tecnologia SAW no produziram resultado adequado aplicao em monitoramento de presso em pneus, os chamados TPMS (Tire Pressure Monitoring Systems), justamente devido ao fato das dimenses do chip terem ficado muito grandes.

5. Novidades no MercadoSensor capacitivo que pode ser esticado em duas vezes seu tamanho

O transdutor de presso extensomtrico bastante utilizado, mas a sua deformao limitada por sua baixa elasticidade, restringindo suas aplicaes. No entanto, pesquisadores do Instituto Fraunhofer desenvolveram um transdutor capacitivo a base de silicato que pode ser esticado em duas vezes o seu tamanho, ampliando suas aplicaes. Esse transdutor composto por um filme de polmero elastomrico que revestido em ambos os lados com eletrodos flexveis. Ao controlar o grau de ligao qumica do polmero, possvel utiliz-lo para medir altas presses, produzindo um filme resistente com substrato; e para medir presses mais baixas, utilizam-se filmes mais flexveis [24].

Figura 22 Sensor capacitivo desenvolvido no Instituto Fraunhofer.

Assim, a deformao desse filme varia por sua vez a capacitncia, podendo ser medida a presso em aplicaes como: alm da deteco da presena de passageiros em assentos dos carros, tambm a posio do ocupante, isso permite que a fora do airbag possa ser diminuda se o ocupante inclinado para frente em caso de acidente; outra funo seria incorporar nas roupas de atletas para analisar seus movimentos e melhorar seu desempenho; e em aplicaes industriais incluem a medio da presso de fluidos deformando o filme atravs de um anel para detectar qualquer deformao causada por presso exercida sobre a membrana do sensor [24].

Transdutor para medio a baixa pressoEsse transdutor de presso baseado na tecnologia MEMs fabricao de dispositivos em um microchip por fotolitografia bastante robusta e aplicada na medio de fluxo aerodinmico [26].Os quais foram projetados um conjunto de sensores capacitivos de presso, compostos por um substrato de ao inoxidvel, o qual pode permitir a fabricao de sensores micro usinados, com um filme de Kapton como diafragma, e nquel eletro-depositado como eletrodo. Na freqncia de 12 kHz e faixa de presso de (0 a 34) kPa a sua variao da capacitncia de aproximadamente 0,14 pF. Valor de capacitncia ainda baixo, mas que pode ser aplicado em baixas presses. Alm disso, um atributo importante desse transdutor que apenas o substrato de ao exposto ao fluxo, ou seja, o circuito eletrnico protegido [26].

Figura 23 Circuito microscpio da superfcie do sensor de presso.

Figura 24 Viso lateral do sensor.Um nano sensor de presso

Nanofios de xido de zinco que respondem eletricamente quando dobrados podem ser usados para medir fora e presses instantneas.Os materiais piezoeltricos quando torcionados, dobrados ou comprimidos produzem eletricidade um efeito que usado em microfones e telefones. Agora, levando em conta o efeito piezoeltrico em nanofios de xido de zinco, pesquisadores da Georgia Institute of Technology tm feito pequenos dispositivos que podem medir foras extremamente pequenas na faixa de nano a piconewtons. Pode-se medir foras entre duas molculas, diz Zhong Lin Wang.

Figura 25 Cargas eltricas na superfcie do nanofio.

Nanofios de xido de zinco so extremamente sensveis a pequenas foras, na faixa de nano a piconewtons. Quando uma pequena fora dobra o nanofio, cargas eltricas acumulam na superfcie do fio e diminui o fluxo de corrente atravs do fio (figura 22). O princpio pode ser usado para fazer pequenos sensores de presso que podem ser implantados no corpo ou em avies e nibus espaciais.A capacidade de medir foras to pequenas podem levar a dispositivos que podem ser implantados no organismo para medir mnimas alteraes de presso arterial de forma contnua, diz Wang. Os sensores tambm poderiam ser instalados nas asas de avies e naves espaciais para acompanhar as flutuaes de presso que ocorrem. Devido ao fluxo de corrente atravs do nanofio ter resposta rpida, ele pode ser usado para fazer um gatilho sensvel para air bags do carro. "Se sujeito a uma fora externa, ento ele desliga dentro de um microssegundo", diz Wang. A idia de utilizar o efeito piezoeltrico para fazer sensores de presso no novidade, diz Toh-Ming Lu, um professor de fsica aplicada no Rensselaer Polytechnic Institute (RPI). "O que interessante, realmente, faz-lo em uma escala to pequena - na nanoescala", diz ele.Ao conectar as duas extremidades de um nanofio de xido de zinco a eletrodos, o grupo de Wang fez dispositivos semelhantes aos transistores em dispositivos eletrnicos. Em um transistor eletrnico, a aplicao de uma tenso na porta do eletrodo controla o fluxo de corrente entre a fonte e o dreno. No novo transistor de deteco de presso, os dois eletrodos onde o nanofio conectado, atuam como fonte e dreno, mas no h nenhuma porta. Em vez de aplicar uma tenso na porta, simplesmente dobra-se o fio. Quando o nanofio se dobra, o lado de sentido oposto ao dobramento torna-se positivamente carregado, enquanto a superfcie compactada interior torna-se carregado negativamente. A diferena de cargas cria uma tenso que os substitui a tenso de porta. O xido de zinco biocompatvel, portanto pode-se implantar o sensor de presso no brao do paciente para controlar a presso arterial de forma contnua, diz Wang. O sensor pode transmitir a presso lida para um mostrador que exibir os dados. Como o dispositivo baseado na deformao em um nico nanofio, "pode-se achar que a sensibilidade pode ser muito elevada", afirma Yi Cui, professor de cincia dos materiais e engenharia na Universidade de Stanford. Uma vantagem do sensor de presso que poderia ser feito em um dispositivo totalmente auto-alimentado, combinando-o com um nanogerador. O nanogerador aproveitaria a energia mecnica do pulsar dos vasos sanguneos e geraria a eletricidade para o sensor de presso. O conceito tambm pode ser aplicado a outros tipos de sensores. Um uso para o dispositivo poderia ser como um biosensor, diz Cui. O princpio que as molculas ao se chocarem, deformam o nanofio e alteraria a corrente atravs dele. Os pesquisadores tambm poderiam desenvolver um sensor qumico, no qual a reao qumica perturba o nanofio, diz Lu RPI. A idia est sendo desenvolvida em laboratrio agora, e os pesquisadores ainda precisam chegar a um projeto para um dispositivo de sensor de presso auto-alimentado. Este desafio da engenharia no fcil, diz Lu. "A idia bsica muito boa", diz ele. "Exatamente como voc faria isso - colocando-o no corpo e obtendo a resposta, descobrir qual o sinal, o que o rudo - que sempre um desafio."Blocos de Nanotubos de CarbonoBlocos de nanotubos de carbono podem ser usados para criar sensores de presso eficientes, de acordo com pesquisadores da Resselaer Polytechnic Institute.Tomando como vantagem as propriedades eltricas e mecnicas do material, pesquisadores montaram um bloco de nanotubo com 3 mm e descobriram que ele tinha adequadas aplicaes como um transdutor de presso. No importa quantas vezes ou quo duro ele montava o bloco, ele exibia uma relao constante e linear entre a fora e a resistncia eltrica.Devido relao linear entre carga e tenso, ele pode ser um excelente sensor de presso, disse Subbalakshmi Sreekala, pesquisador da Rensselaer. Um sensor incorporado ao bloco de nanotubos de carbono seria capaz de detectar pequenas alteraes de presso e seria benfico para qualquer aplicao industrial, segundo Sreekala. Duas aplicaes potenciais so um manmetro para verificar a presso de ar de pneus de automvel, e um sensor de presso micro eletro mecnico que poderia ser usado na fabricao de equipamentos de semicondutores. Apesar de extensa pesquisa das propriedades mecnicas das estruturas de nanotubos de carbono, Sreekala e sua equipe so os primeiros a explorar e documentar a relao de tenso-deformao do material. No laboratrio, os pesquisadores colocaram o bloco de nanotubos de carbono em uma mquina de vice-like (torno de bancada) e aplicaram diferentes nveis de tenso. Eles anotavam a tenso aplicada e mediam a deformao correspondente. Enquanto o bloco estava sendo comprimido, era aplicada corrente eltrica atravs dele e era medida a sua resistncia. A equipe de pesquisa descobriu que a deformao que eles aplicaram no bloco tinha uma relao linear com sua resistncia eltrica. A relao linear de tenso-deformao vlida at que o bloco seja comprimido a 65% de sua altura original. Alm disso, as propriedades mecnicas comeam a falhar e a relao linear deixa de ser vlida.A equipe est atualmente pesquisando maneiras de melhorar essas propriedades, misturando compsitos polimricos para fazer um novo material com uma relao de tenso-deformao duradoura."O desafio ser escolher o polmero correto para que no se perca a eficincia, mas que mantenha a mesma resposta em todas as direes", afirmou Sreekala.

Filme indicador de PressoUm novo sensor de presso que revela a distribuio e magnitude de presso entre duas superfcies em contacto ou atravs de impacto entre elas. O funcionamento muito simples (figura 23). Trata-se de um filme polister que contm uma camada de pequenas microcpsulas. A aplicao da fora sobre o filme provoca a ruptura das microcpsulas, produzindo uma imagem topogrfica permanente e de alta resoluo da variao de presso em toda rea de contato. Basta aplicar a presso e retirar o filme imediatamente que este revelar uma distribuio de presso que ocorreu entre as duas superfcies.Conceitualmente semelhante ao papel de tornassol (papel indicador de pH), a intensidade da cor do filme est diretamente relacionada quantidade de presso aplicada nele. Quanto maior for a presso, mais intensa ser a cor.O filme extremamente fino (0,1 mm a 0,2 mm), que lhe permite estar em conformidade em superfcies curvas. Ideal para ambientes agressivos eespaos pequenos nos quais os transdutores eletrnicos convencionais no so acessveis.

Figura 26 Funcionamento do filme indicador de presso.

6. Aplicaes tpicas de transdutores de presso

Em aplicaes industriais, boa repetitividade normalmente mais importante do que a exatido. Se a presso varia numa faixa grande, transdutores com boa linearidade e baixa histerese so preferidos.Variaes de temperatura tambm causam erros nas medies de presso influenciando muito na medio de pequenas presses e presses diferenciais. Em algumas aplicaes, compensadores de temperatura devem ser utilizados. A figura 24 abaixo apresenta a faixa de medio de diversos transdutores de presso [1/7].

Figura 27 Faixa de medio de diversos transdutores de presso.

7. Referncias bibliogrficas[ 1]Transations in Measurement and Control Force-Related Measurements. Livro tcnico da Omega, Vol 3.[ 2]Kester, W. Strain, Force, Pressure and Flow Measurements Section 4.[ 3]Introdution to Piezoelectric Pressure Sensors. Manual da Dytran.[ 4]Brysek, J., Flannery, A. Integrating MEMS with Integrated Circuits. Artigo IEEE, junho/2004.[ 5]Bicking, R. Fundamentals of Pressure Sensor Technology. Artigo do site www.sensors mag.com, novembro/1998.[ 6]Konrad, B. Demystifying Piezoresistive Pressure Sensors. Artigo do site www.sensors mag.com, julho/1999.[ 7]Wilson, J. Pressure Measurement: Principles and Practice. Artigo do site www.sensors mag.com, janeiro/2003.[8] SCHIMETTA, G. et al. Optimized design and fabrication of a wireless pressure and temperature sensor unit based on saw transponder technology. In: Proc. IEEE MTT[9] REINDL, L. Wireless passive saw identification marks and sensors. In: CHIBA UNIV. 2nd Int. Symp. Acoustic Wave Devices for Future Mobile Communication Systems. [S.l.], 2004.[10] SCHOLL, G. et al. Wireless passive saw sensor systems for industrial and domestic applications. In: Proc. IEEE International Frequency Control Symposium. [S.l.: s.n.], 1998. p.595601. ISSN 1075-6787[11] SCHERR, H. et al. Quartz pressure sensor based on saw reflective delay line. In: Proc.IEEE Ultrasonics Symposium. [S.l.: s.n.], 1996. v. 1, p. 347350 vol.1. ISSN 1051-0117.[12] SCHIMETTA, G.; DOLLINGER, F.; WEIGEL, R. A wireless pressure-measurement system using a saw hybrid sensor. v. 48, n. 12, p. 27302735, 2000. ISSN 0018-9480.[13] PANKRATZ, T. et al. Low tb radio saw sensors incorporating chirped transducers and reflectors for wireless pressure sensing applications. In: Proc. IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest. [S.l.: s.n.], 1998. v. 2, p. 845848 vol.2.[14] REINDL, L. et al. A wireless aqp pressure sensor using chirped saw delay lines structures. In: Proc. IEEE Ultrasonics Symposium. [S.l.: s.n.], 1998. v. 1, p. 355358 vol.1. ISSN 1051-0117.[15] BALLANDRAS, S. et al. P1i-5 micro-machined, all quartz package, passive wireless saw pressure and temperature sensor. In: Proc. IEEE Ultrasonics Symposium. [S.l.: s.n.], 2006. p. 14411444. ISSN 1051-0117.[16] SINHA, B. K. et al. Temperature derivative of stress coefficients of saw resonator frequency from pressure sensor measurements. In: Proc. Ultrasonics Symposium IEEE 1992. [S.l.: s.n.], 1992. p. 257262 vol.1.[17] VLASSOV, Y. N. et al. Precision saw pressure sensors. In: Proc. IEEE International Frequency Control Symposium 47th. [S.l.: s.n.], 1993. p. 665669.[18] DIXON, B. et al. A second generation in-car tire pressure monitoring system based on wireless passive saw sensors. In: Proc. IEEE International Frequency Control Symposium and Exposition. [S.l.: s.n.], 2006. p. 374380.[19] HOFFMANN, K. An Introduction to Measurements using Strain Gages. [S.1.]: Hottinger Baldwin Messtechnick GmbH, Darmstadt, 1989.[20] GAO, R.; ZHANG, L. Micromachined microsensors for manufacturing. IEEE Instrumentation & Measurement Magazine, v. 7, n. 2, p. 2026, June 2004.[21] PULLIAM, W.; RUSSLER, P. High-temperature, high bandwidth, fiber-optic, mems pressure sensor technology for turbine engine component testing. Disponvel em: . Acesso em: ago. 2011.[22] HILL, K. O.; MELTZ, G. Fiber bragg grating technology fundamentals and overview. Lightwave Technology, Journal of, v. 15, n. 8, p. 12631276, 1997. ISSN 0733-8724.[23] WEEGE, T. A. Avaliao de tecnologias aplicveis medio de presso em pequenos volumes em compressores de refrigerao. Dissertao (Mestrado) Programa de Ps-Graduao em Metrologia Cientfica e Industrial, Centro Tecnolgico, Universidade Federal de Santa Catarina, 2006.[24] New pressure sensor can stretch to twice its size. Disponvel em:. Acesso em: set. 2011.[25] CHANG, S.; LEE, J.; ALLEN, M. G. A Robust Capacitive Pressure Sensor Array. IEEE Solid-State Sensor and Actuator Workshop, Late News, Hilton Head Island, South Carolina, 1998.[26] SCHULTZ, Warren. Interfacing Semiconductor Pressure Sensors to Microcomputers. Freescale Semiconductor in Discrete Applications Engineerin. Application Note AN1318 Rev 2, 2005.

1.7 Medio de Temperatura

A Grandeza Temperatura

A grandeza fsica fundamental conhecida como temperatura termodinmica usualmente representada pela letra T e sua unidade o Kelvin, smbolo K. A unidade da temperatura termodinmica definida como a frao 1/ 273,16 da temperatura termodinmica do ponto triplo da gua, que um estado da matria singular, universal e reprodutvel. O SI reconhece que as temperaturas em Kelvin no so convenientes para o uso dirio e, por isso, complementam com a definio da temperatura Celsius, smbolo t, com equao:t (C) = T(K) - 273,15 A unidade da temperatura Celsius o grau Celsius, smbolo C e a unidade tem a mesma variao que o kelvin.

Temperatura uma grandeza que ocupa lugar de destaque no universo da metrologia. De todos os tipos de transdutores utilizados, da ordem de 15% so transdutores de temperatura. De fato, temperatura um parmetro fundamental na maioria dos processos fsicos, sendo que em torno de 60% dos parmetros controlados esto associados a ela. Temperatura est relacionada com a energia cintica das molculas em uma regio de um corpo qualquer; entretanto, esta energia cintica no pode ser medida diretamente. A soluo encontrada para transpor esta dificuldade, foi a utilizao de sistemas termodinmicos que se baseiam nas propriedades fsicas dos materiais, realizando uma escala de temperatura bastante prxima da escala terica. Dessa forma foi definida a Escala Internacional de Temperatura [6].A primeira verso da escala internacional foi definida em 1927 e, aps diversas revises, resultou na ltima escala vigente apresentada em 1990, denominada Escala Internacional de Temperatura (International Temperature Scale - ITS-90) [6]. Essa ltima reviso substituiu a mais difundida escala no meio industrial, a Escala Prtica Internacional de Temperatura de 1968 (International Practical Temperature Scale 1968 IPTS-68). A ITS-90 difere significativamente da escala de 1968. Embora seja mais complexa, a escolha de faixas de temperatura maior e mais adequada s reais necessidades da termometria [1]. A faixa de temperatura abrangida pela ITS-90 comea em 0,65K at a mais alta temperatura praticamente mensurvel em termos da lei de radiao de Planck.

A Figura 1 um guia para as principais caractersticas da ITS-90, ilustrando os pontos fixos, os tipos de termmetros usados e as faixas para as quais so definidas as equaes de interpolao.Conforme ilustra a Figura 1 h trs estgios bsicos para se estabelecer a escala: Os pontos fixos, que podem ser pontos de fuso, solidificao ou triplo de vrias substncias e que so construdos de acordo com as orientaes do BIPM; As indicaes de termmetros aprovados, determinadas em cada ponto fixo; As temperaturas, dentro de vrias faixas, calculadas a partir dos valores determinados nos pontos fixos apropriados, usando-se as equaes de interpolao especficas.

Os pontos fixos so sistemas fsicos cujas temperaturas so fixadas atravs de algum processo fsico e, portanto, universais e reprodutveis. O sistema mais bem sucedido para temperatura so as transies de fase, que envolvem as maiores mudanas de estado, por exemplo, lquido para slido ou vapor para lquido.

Figura 1:Guia simplificado das principais caractersticas da ITS-90

Sob condies apropriadas, ou seja, um aparato de ponto fixo, a transio de fase ocorrer em uma nica temperatura, que depende das propriedades da substncia usada e no do aparato. Como a mudana envolve calor latente, possvel uma boa estabilidade de temperatura. O calor latente a quantidade de calor requerida para provocar uma mudana de estado sem mudana da temperatura. Desta forma, uma pequena quantidade de transferncia de calor entre a substancia e seus arredores no causar uma mudana de temperatura na substancia durante a transio de fase.

Os pontos de solidificao dos metais puros so controlados pelo calor latente de fuso e propiciam temperaturas altamente reprodutveis. Os pontos triplos de muitas substncias tambm so excelentes pontos fixos, uma vez que representam o equilbrio entre as trs fases - slida, lquida e gasosa - em uma nica temperatura e presso. A Figura 2 fornece os detalhes dos sistemas e seus valores definidos.

Quatro classes de termmetros so utilizadas para estabelecer a escala:

Termmetros de presso de vapor; Termmetros de gs; Termmetros de resistncia de platina; Termmetros de radiao.

Figura 2: Pontos fixos de temperatura da ITS-90

Calibrao dos transdutores de temperatura

Ao se calibrar um transdutor de temperatura necessrio especificar a sua faixa de operao e qual a incerteza que se pretende medir com o mesmo. A escolha do mtodo e equipamentos para a calibrao um fator importante, pois a incerteza combinada do padro com o meio trmico deve ser no mnimo 1/3 do limite de erro do objeto a ser calibrado.Os mtodos utilizados para a calibrao dos transdutores de temperatura so:- Calibrao em Pontos Fixos: os pontos fixos mais conhecidos e de mais fcil realizao so 0 C, temperatura na qual o gelo puro derrete e 99,975 C ou o ponto de ebulio da gua, sob 1 atm de presso. Alm desses, construindo-se cadinhos especiais de grafite e preechendo-os com uma das substncias especificadas pela ITS-90, possvel calibrarem-se transdutores de temperatura com pequenas incertezas. So chamados de pontos fixos os pontos de solidificao, fuso, triplos ou de ebulio. A figura 3 mostra clulas de pontos fixos, abertas e fechadas. A figura 4 ilustra as incertezas tpicas.

Fig 3: Clulas de pontos fixos aberta e fechadaFig 4: Incertezas na calibrao em pontos fixos em vrias faixas de temperatura

- Calibrao por comparao: o mtodo mais rpido, mais simples e mais econmico para a calibrao de um transdutor de temperatura. O sistema de calibrao formado por um termmetro calibrado (atravs do qual se obtm a rastreabilidade) e um meio trmico com uniformidade conhecida que cubra a faixa de temperatura desejada. O termmetro padro pode ser um termmetro de lquido em vidro, termopar ou um termorresistor, acoplado a um indicador. A figura 5 ilustra o procedimento de calibrao por comparao.

Figura 5: Calibrao por comparao

- Calibrao industrial: o meio trmico mais utilizado para a utilizao industrial por comparao so os banhos de bloco metlico, que cobrem a faixa de 55 C abaixo da temperatura ambiente at 1200 C. A figura 6 mostra um banho de bloco metlico.

Figura 6 Banho de bloco metlico

Os banhos so divididos em faixas:

FaixaIncerteza tpica

Baixa temperatura-30 C a -140 C 0,1 a 0,2 C

Temperatura mdia+35 C a +650 C 0,1 a 0,5 C

Alta temperatura+200 C a +1200 C 1 a 2 C

Transdutores Eltricos de Temperatura

H grande diversidade de instrumentos, operando com base nos mais variados princpios, que so aplicados na termometria. Os mais comumente utilizados: termmetros de coluna de lquido, termopares, termmetros de resistncia e pirmetros de radiao. Dentre esses, os transdutores eltricos tipos termopar e os resistivos (termorresistor e termistor), representam mais de 90% dos transdutores de temperatura normalmente usados.A seleo de um sistema de medio para uma dada aplicao na termometria eltrica dependente, primeiramente, das caractersticas do transdutor. O conhecimento aprofundado de tais caractersticas primordial para a escolha entre o melhor transdutor eltrico de temperatura: termopar, termorresistor ou termistor.O termopar o mais conhecido transdutor de temperatura. Os termopares apresentam na sua sada um sinal eltrico em tenso obtido de uma transformao energtica, do domnio trmico para o domnio eltrico. So, portanto, transdutores auto-geradores. Tm sido empregados nas mais diversas aplicaes, desde temperaturas extremamente baixas, na faixa do oxignio lquido -183 C, a temperaturas acima de 1500 C.Os termopares so, ainda atualmente, os transdutores eltricos mais utilizados na medio de temperatura. Isto se deve principalmente ao fato de serem conhecidos h mais tempo no meio industrial e de possurem caractersticas interessantes para muitas aplicaes: fisicamente, so simples; podem ser flexveis; so robustos; geralmente so de fcil instalao e manuseio; possuem boa resposta dinmica; ampla faixa de medio; so transdutores auto-geradores.Nas ltimas dcadas observou-se um crescimento significativo do emprego de transdutores resistivos termorresistores e termistores. Para o caso dos termorresistores, existe um marco: a ITS- 90, na qual tal transdutor foi adotado como elemento interpolante em ampla faixa de temperatura. A partir da pode-se observar que surgiram muitas normas relativas a termorresistores. Atualmente os termorresistores esto substituindo os termopares em grande nmero de aplicaes. Cresceu tambm, em especial a partir da dcada de 90, a utilizao de transdutores resistivos semicondutores, (termistores). Dentre as principais razes esto o surgimento dos termistores linearizados e o fato de que a caracterstica de resposta exponencial dos termistores deixou de ser algo muito significativo. Com a capacidade de processamento trazida pela utilizao de processadores eletrnicos junto ao sistema de medio o comportamento no linear, desde que bem definido, no representa maiores problemas.Os termorresistores so principalmente utilizados como elemento padro de calibrao e em medio de temperatura em bancadas de ensaios de produtos, devido a sua caracterstica de estabilidade por longos perodos de tempo. J os termistores, so mais comumente empregados em circuitos de compensao da juno de referncia de termopares e em sistema de controle de temperatura ambiente, por causa de sua alta sensibilidade nessa faixa de temperatura.

Termopares

Fundamentos de termoeletricidade

Os efeitos termoeltricos recebem essa denominao porque envolvem tanto energia trmica quanto eletricidade. A medio de temperatura por meio de termopares se baseia no efeito de Seebeck (1821) o qual determina que se dois metais dissimilares forem conectados formando um circuito eltrico fechado, com as duas junes em diferentes temperaturas, o circuito passa a ser percorrido por uma corrente eltrica gerada por uma fora eletromotriz trmica (tenso termoeltrica), conforme mostra a Figura 7.

Juno de medioJuno de refernciaFigura 7: circuito termoeltrico bsico compreendendo doismetais diferentes, A e B e duas junes, a de medio e a de referncia.

A quantidade de corrente aumenta com o aumento da diferena de temperatura entre as junes. Esse fenmeno tem um lado til, permitindo a construo de termmetros do tipo termopar e preocupante, uma vez que os efeitos termoeltricos indesejveis podem ser a maior fonte de erros em medies de baixa tenso, quando se tem vrias junes de fios em temperaturas diferentes. As duas junes so normalmente chamadas de junta quente e junta fria, mas a terminologia mais adequada juno de medio e juno de referncia.

O efeito de Seebeck resultante de dois fenmenos trmicos, o efeito de Peltier (1834) e efeito de Thomson (1854). O primeiro refere-se liberao ou absoro de calor quando uma corrente eltrica flui atravs da juno de dois condutores dissimilares. A direo da corrente determina se o calor liberado ou absorvido. Esse efeito reversvel, independente da forma ou dimenses dos condutores que compem as junes e proporcional corrente que flui pelas junes. O efeito de Peltier diferente do efeito Joule. O efeito Joule no necessita de metais dissimilares e funo das dimenses do condutor, alm de ser um fenmeno irreversvel. O segundo, efeito de Thomson, mostra que energia trmica liberada ou absorvida num nico condutor submetido a um gradiente trmico, quando percorrido por corrente eltrica. Estes efeitos podem ser equacionados de acordo com o teorema fundamental da termoeletricidade:

Onde:

=Coeficiente de Seebeck gerado pelo par AB

=Coeficiente de Peltier gerado pelo par AB

e=Coeficientes de Thomson dos condutores B e A

A equao anterior mostra que o efeito de Seebeck a soma algbrica do efeito de Peltier e Thomson. Essa equao pode ser expressa de uma maneira mais simplificada como:

Onde:

=Coeficiente de Seebeck do termopar em (V/K)

Medio da tenso de um termopar

Em um circuito aberto constitudo por uma nica juno formada por dois fios, existe uma tenso que depende dos metais dos fios e da temperatura da juno. Esta tenso gerada, conhecida por tenso termoeltrica ou "tenso Seebeck", na prtica, no pode ser medida diretamente, uma vez que a conexo do voltmetro nos fios para medio da tenso da juno forma novas junes termoeltricas. A Figura 8 ilustra a medio da tenso de juno de um termopar tipo T (cobre-constantan) utilizando um voltmetro.

Figura 8: medio da tenso de Seebeck gerada por um termopar tipo T utilizando um voltmetroDesejamos que o voltmetro mea apenas a tenso V1, mas ao conect-lo com a inteno de medir a tenso de sada da juno J1, criamos mais duas junes metlicas: J2 e J3. Uma vez que J3 uma juno cobre-cobre, a tenso termoeltrica gerada igual a zero (V3=0), mas J2 uma juno cobre-constatan a qual adiciona uma tenso V2 em oposio a V1. A leitura resultante do voltmetro V ser proporcional a diferena de temperatura entre J1 e J2. Assim, no podemos encontrar a temperatura em J1, a menos que encontremos primeiro a temperatura de J2. Portanto, em circuitos de medio de temperatura com termopares no se mede uma temperatura em valor absoluto e sim uma diferena entre duas temperaturas.Uma forma de determinar a temperatura de J2 coloc-la fisicamente em um banho de gelo fundente e forar sua temperatura a 0 C, estabelecendo a juno de referncia, como mostrado na Figura 9.

Figura 9: uso da juno de referncia com termopar tipo T

importante ressaltar que a tenso gerada na juno J2 que se encontra no banho de gelo fundente no nula. Ela funo da temperatura absoluta. Adicionando a tenso da juno que est no banho de gelo fundente, temos a tenso V referenciada a 0 C. Este mtodo bastante exato uma vez que a temperatura do ponto de gelo fundente bem conhecida e usada para estabelecer as tabelas dos diversos tipos de termopares e converter a tenso V na temperatura TJ1.O termopar de cobre-constantan mostrado na Figura um exemplo nico, uma vez que o cobre o mesmo metal utilizado nos terminais do voltmetro. Utilizando um termopar tipo J (ferro-constantan) conforme mostra Figura 10, aumenta-se o nmero de junes metlicas dissimilares no circuito, pois temos mais duas junes cobre-ferro nos conectores do voltmetro (J3 e J4).

Figura 10: uso da juno de referncia com termopar tipo J

Nesta situao as junes J3 e J4 agem em oposio, tendendo a cancelar os efeitos termoeltricos geados nessas junes (Figura 11). Entretanto, se os terminais HI e LO do voltmetro no estiverem mesma temperatura, ser introduzido um erro, proporcional diferena de temperatura existente. Para evitar este problema, pode-se utilizar um bloco isotrmico para as junes cobre-ferro, conforme mostra a Figura 12.Figura 11: cancelamento da tenso de juno nos terminais do voltmetroFigura 12: removendo as junes dos terminais do voltmetro, usando o bloco isotrmico

O bloco isotrmico um isolante eltrico, mas um bom condutor de calor e serve para manter as junes J3 e J4 na mesma temperatura. A temperatura absoluta do bloco no relevante, uma vez que as junes ferro-cobre agem em oposio.Vamos agora substituir o banho de gelo por um bloco isotrmico e integr-lo ao bloco das junes J3 e J4, conforme Figura 13.

Figura 13: eliminando o banho de geloFazendo uso da lei dos metais intermedirios (Figura 14), podemos eliminar a juno extra. Esta lei emprica estabelece que um terceiro metal (neste caso o ferro) inserido entre dois outros metais dissimilares de uma juno termopar no ter nenhum efeito na tenso de sada enquanto as junes estiverem mesma temperatura.Esta uma concluso til que elimina completamente a necessidade do fio de ferro conectado ao terminal LO do voltmetro. Assim, as junes J3 e J4 tomam o lugar do banho de gelo. Esta duas junes tornam-se a juno de referncia, conforme figura 15.

Conexo isotrmica

TREF=Figura 14: lei dos metais intermedirios Figura 15: circuito equivalente

Podemos, ento, medir diretamente a temperatura do bloco isotrmico (ou seja, da juno de referncia) e usar esta informao para computar a temperatura desconhecida TJ1, conforme mostra a Figura 16. Um termistor, cuja resistncia RT funo da temperatura, proporciona uma forma de medir a temperatura absoluta da juno de referncia. As junes J3 e J4 e o termistor esto na mesma temperatura devido s caractersticas do bloco isotrmico.

Figura 16: junta de referncia externaUsando um voltmetro podemos:1. Medir RT para encontrar TREF e convert-la em sua tenso de juno equivalente, VREF.2. Medir V e VREF para encontrar V1 e converter V1 para a temperatura TJ1.

Este procedimento conhecido por compensao por software, uma vez que utiliza um software no prprio instrumento ou em um computador para compensar o efeito da juno de referncia. O transdutor de temperatura do bloco isotrmico pode ser qualquer dispositivo que tenha uma caracterstica proporcional temperatura absoluta: um termorresistor, termistor ou um circuito integrado especfico.Uma outra tcnica para compensar a juno de referncia utilizar a compensao por hardware, inserindo uma tenso no circuito, de forma tal que esta cancele a tenso gerada pela juno de referncia. A combinao desta tenso de compensao por hardware e da tenso da juno de referncia equivale a juno de 0 C, conforme mostra a Figura 17. A tenso de compensao e uma funo do transdutor de temperatura RT. A tenso V referenciada a 0 C e pode ser convertida para temperatura utilizando-se as tabelas de converso.

Figura 17: circuito de compensao da junta de referncia por hardware

Este circuito tambm conhecido como gelo eletrnico e existem comercialmente para uso com qualquer voltmetro e uma grande variedade de termopares. A maior desvantagem desta configurao de que para cada tipo de termopar, usualmente necessrio um circuito especfico.

Leis fundamentais dos termopares

Existem 5 (cinco) leis aplicveis aos circuitos com termopares, chamadas de leis fundamentais dos termopares, cujo conhecimento das mesmas imprescindvel para a correta aplicao de circuitos de medio com tais transdutores.

1) A tenso resultante nas junes de um circuito fechado com dois fios de materiais A e B formando juntas mantidas nas temperaturas T1 e T2, totalmente independente das outras temperaturas ao longo do circuito, desde que os materiais A e B sejam homogneos (Figura 18).

Figura 182) No circuito considerado na primeira lei, se um terceiro material (C) inserido em um dos ramos e estando suas junes sujeitas mesma temperatura (Ti = Tj), a tenso resultante nas junes do circuito independente do material (C), do comprimento do terceiro fio e das temperaturas ao longo de tal fio (Figura 19).

Figura 19

3) A tenso resultante das junes no alterada pela colocao de um terceiro metal e entre os fios A e B (na juno), desde que a temperatura nas junes esto formadas AC e AB sejam as mesmas e iguais a temperatura da original juno AB existente antes da colocao de metal C (Figura 20).

Figura 20

4) Se a tenso termoeltrica da juno formada pelos metais A e C VAC e a formada pelos metais B e C VBC, a tenso termoeltrica formada pela juno de metais A e B igual a soma das tenses VAC e VBC (Figura 21).

Figura 21

5) Suponha um circuito fechado com dois fios de metais distintos A e B formando duas junes que, quando colocadas s temperaturas T1 e T2 produzem uma tenso resultante das tenses igual a V1 e quando colocados em T2 e T3 produzem uma tenso V2 ento quando as junes estiverem colocadas s temperaturas T1 e T3 produziro uma tenso resultante das junes igual a V1 + V2 (Figura 22).

Figura 22

Tipos de termopares

Inmeros tipos de termopares podem ser constitudos pela associao, aos pares, de diferentes metais e ligas metlicas. O que determina o tipo de termopar a ser utilizado so os requisitos metrolgicos e operacionais da aplicao.Apesar do amplo espectro de possibilidade, somente alguns metais/ligas so utilizados, devido a fatores que so considerados no processo de seleo dos materiais, como, por exemplo:

Caracterstica de resposta deve possuir boa linearidade e elevada sensibilidade; Possuir ampla faixa de medio; Ser de fcil obteno e reproduo Possuir resistncia oxidao e corroso.

Os tipos mais comuns de termopares, classificados pela Instrument Society of America - ISA, esto listados a seguir, com indicao de suas respectivas letras de cdigos e algumas caractersticas de aplicao. O coeficiente de Seebeck informado corresponde a uma sensibilidade mdia na faixa de (0 a 100) C.

Tipo J (Ferro/Constantan) - este tipo de termopar recomendado para o uso em temperaturas entre (0 e 760) C. Acima de 500 C a taxa de oxidao do ferro, elevada, recomendando-se o uso de fios de maior bitola. O coeficiente de Seebeck de aproximadamente 51 V/K.

Tipo K (Cromel/Alumel) - nesse tipo de termopar o termoelemento positivo (KP), uma liga composta, basicamente, por 89% a 90% de Ni e 9% a 9,5% de Cr, com adio de Si e Fe em quantidade aproximadamente de 0,5% e, em menor parcela, outros constituintes tais como C, Mn, Co e Nb. O termoelemento negativo (KN) composto de 95% a 96% de Ni, %1 a 1,5% de Si, 1% a 2,3% de Al, 1,6% a 3,2% de Mn, at 0,5% de Co e pequenas quantidades de outros constituintes tais como Fe, Cu e Pb. Os termopares tipo K so recomendados para uso contnuo em temperaturas entre (- 250 a +1260) C. Ambos termoelementos KP e KN esto sujeitos oxidao quando usados temperatura acima de 850C, mas esse tipo de termopar pode ser usado a temperaturas de at 1350 C por curtos perodos. Quando ocorre a oxidao, h um gradual aumento na sua sensibilidade. Deve-se ter cuidado com a corroso, quando contaminado se torna frgil. Esse processo mais severo no alumel. O coeficiente de Seebeck de aproximadamente 40 V/K.

Tipo E (Cromel/Constantan) - os termopares tipo E so recomendados para uso na faixa de temperaturas abaixo de 0 C por no estarem sujeitos corroso em atmosferas com alto contedo de unidade; em compensao ambos termoelementos possuem baixa condutividade trmica. O termopar tipo E possui o maior coeficiente de Seebeck (62 V/K) dentre todos os tipos de termopares e devido a essa caracterstica, tem uso freqente;

Tipo S e R (Platina / Platina+Rdio) - estes termopares so recomendados para uso contnuo entre (- 50 e +1400) C e intermitente at ao ponto de fuso da platina (1767,6 C). Nunca devem ser inseridos diretamente em um tubo metlico, pois os termoelementos so susceptveis contaminao. Ambos termoelementos so dcteis e tornam-se excessivamente macios e frgeis a 1700 C. Apresentam condutividade trmica moderada e baixa coeficiente de Seebeck (7V/K);

Tipo B (Pt+30%Rh / Pt+6%Rh) - utilizado em temperaturas acima de 50 C, devido ao seu baixo coeficiente de Seebeck (0.3V/K). recomendado para uso contnuo temperatura de at 1750 C. Sob idnticas condies de aplicao o termopar tipo B tem menor crescimento de gro (monocristal em um agregado policristalino) e mais estvel que os termopares tipo S ou R;

Tipo N (Nicrosil/Nisil) - o termopar tipo N similar ao tipo K, mas tem a vantagem de minimizar algumas das instabilidades do par cromel-alumel. Tem uma maior porcentagem de silcio no termoelemento cromel que melhora a resistncia oxidao em temperaturas elevadas. A faixa de temperatura varia de - 270 a 1300 C. O coeficiente de Seebeck de aproximadamente 26 V/K.

A Figura 23 apresenta as respectivas caractersticas de resposta dos termopares mais comumente utilizados.

Figura 23: termopares x tenses gerada

Na tabela 1, tem-se os limites de erros mximos admissveis para cada tipo de termopar, de acordo com a norma ANSI E230.

Tabela 1: Limites de erros mximos admissveis para os termopares

Tipo de termoparFaixa de utilizao(C)Limite de erro (escolher o maior)

PadroEspecial

E0 a 870 1,7 C ou 0,5 % 1 C ou 0,4%

-200 e 30 1,7 C ou 1%-