Como medir a pressão?

A medição de pressão é fundamental em várias indústrias e na pesquisa científica. É crucial no monitoramento e controle de processos aeroespaciais, automotivos, de saúde, monitoramento ambiental e de fabricação. Compreender os princípios, sensores e tecnologias por trás da medição de pressão é essencial para selecionar o método adequado para aplicações específicas. Neste artigo, você irá:

• Entenda o que é pressão e por que é importante medi-la

• Veja como medir a pressão

• Descubra sobre os tipos de sensores de pressão e tecnologias usadas hoje

• Aprenda as diferenças entre manômetros, sensores, transdutores e transmissores

O que é pressão?

A pressão é definida como a força por unidade de área exercida por um fluido, líquido ou gás, perpendicular a uma superfície.

É definida pela fórmula P = F/A

Onde:

P = Pressão
F = Força resultante
A = Área da superfície sujeita à força

Tipos de medições de pressão

Existem três tipos principais de medições de pressão:

• Pressão absoluta: a pressão é medida em relação a um vácuo perfeito, pressão zero

• Pressão manométrica: a pressão é medida em relação à pressão atmosférica ambiente

• Pressão diferencial: medida como a diferença entre duas pressões

A pressão pode ser positiva ou negativa. A pressão negativa refere-se a uma condição em que a pressão num determinado espaço é inferior à pressão do ambiente circundante. Como quase todos os sensores de pressão operam com base na medição de diferenças de pressão, podem medir tanto pressão positiva como negativa.

Unidades de medição de pressão

A pressão é medida em várias unidades, dependendo do contexto e do instrumento utilizado. Aqui estão as mais comuns:

1. Pascal, Pa: unidade SI de pressão: Um Pascal é definido como um newton por metro quadrado, N/m². Nota: um quilopascal, kPa, equivale a 1.000 Pascais

2. Newton por metro quadrado, N/m²: 1 N/m² equivale a 1 Pascal

3. Bar, bar: unidade métrica de pressão, onde 1 bar equivale a 100.000 Pascais

4. Atmosfera, atm: baseada na pressão atmosférica média ao nível do mar, 1 atmosfera equivale a 101.325 Pascais

5. Torr, torr: 1 torr equivale a 133,322 Pascais

6. Libra por polegada quadrada, psi: comum nos Estados Unidos, um psi equivale à pressão resultante de uma força de uma libra-força aplicada a uma área de uma polegada quadrada

7. Milímetro de mercúrio, mmHg: comum na medicina e meteorologia, 1 mmHg equivale a 133,322 Pascais

8. Polegada de mercúrio, inHg: comum na aviação e meteorologia nos Estados Unidos, uma polegada de mercúrio equivale a 3.386 Pascais

Cada unidade pode ser utilizada dependendo da aplicação e do sistema de medição preferido em cada área.

Transdutores vs. transmissores

O termo “sensor de pressão” pode referir-se tanto a transdutores como a transmissores. Os transdutores são sensores que normalmente têm saída em tensão, enquanto os transmissores têm saída através de um loop de corrente padrão de 4 a 20 mA. Loops de corrente de 2 fios e 4 fios são amplamente utilizados em aplicações industriais e de controlo de processos em várias indústrias.

Tipos de sensores e manómetros de pressão

A tecnologia de medição de pressão é ampla devido à grande variedade de sensores disponíveis. Assim, as técnicas de medição variam consoante o tipo de sensor utilizado. Sensores e transdutores têm saídas elétricas que podem ser ligadas a sistemas de medição, enquanto os manómetros são normalmente dispositivos mecânicos com um mostrador físico ou outro indicador visual. Vamos analisar os principais tipos de sensores e manómetros de pressão e comparar as suas vantagens, desvantagens e aplicações mais adequadas:

• Sensores de pressão piezoresistivos, extensómetros

• Sensores de pressão capacitivos

• Sensores de pressão piezoelétricos, carga

• Sensores de pressão MEMS

• Sensores de pressão de fio ressonante

• Sensores de pressão ópticos

• Sensores de pressão por condutividade térmica

• Manómetros de tubo de Bourdon

• Manómetros de coluna líquida

• Manómetros de diafragma

• Manómetros de ionização

Sensores de pressão piezoresistivos com extensómetros

Os sensores de pressão com extensómetros medem a deformação de um diafragma ou de uma estrutura à qual os extensómetros estão ligados. A deformação induzida pela pressão altera a resistência elétrica dos extensómetros, que é então medida e correlacionada com a pressão utilizando um circuito em ponte de Wheatstone.

Estes sensores são normalmente utilizados em aplicações industriais, sistemas automóveis e células de carga devido à sua boa precisão, linearidade e ampla gama de pressão. No entanto, requerem compensação de temperatura e podem sofrer deriva ao longo do tempo, a menos que os condicionadores de sinal correspondentes incluam circuitos de compensação, como os condicionadores de sinal da série Dewesoft STG.

Aplicações de sensores de pressão com extensómetros:

Os extensómetros são utilizados em praticamente todas as indústrias, incluindo automóvel, aeroespacial, saúde, monitorização estrutural, testes modais, e mais. Também são utilizados em células de carga.

Vantagens dos sensores de pressão com extensómetros:

• Boa precisão e linearidade

• Ampla gama de pressão

Desvantagens dos sensores de pressão com extensómetros:

• Requerem compensação de temperatura

• Potencial de deriva ao longo do tempo

Sensores de pressão capacitivos

Estes sensores medem a pressão detetando alterações na capacitância entre duas placas, uma fixa e outra que é um diafragma que se move sob pressão. Um circuito elétrico mede e converte esta variação de capacitância em valores de pressão.

Estes sensores são altamente sensíveis e precisos, tornando-os adequados para aplicações como dispositivos médicos e equipamentos laboratoriais. No entanto, podem ser sensíveis à temperatura e à interferência eletromagnética e requerem calibração cuidadosa para garantir medições precisas.

Aplicações de sensores de pressão capacitivos:

Os sensores de pressão capacitivos são utilizados em aplicações que exigem elevada sensibilidade e precisão, incluindo dispositivos médicos e equipamentos laboratoriais. São utilizados em aplicações de controlo e monitorização, incluindo altitude, fluxo, velocidade do ar e nível.

Vantagens dos sensores de pressão capacitivos:

• Alta sensibilidade e precisão

• Capacidade de medir pressões muito baixas

Desvantagens dos sensores de pressão capacitivos:

• Sensíveis à temperatura e à interferência eletromagnética

• Requerem calibração para medições precisas

Sensores de pressão piezoelétricos, carga

Estes sensores utilizam o efeito piezoelétrico, no qual materiais como quartzo, cerâmicas, titanato de zircónio de chumbo, PZT, e outros materiais cristalinos geram uma carga elétrica em resposta a esforços mecânicos, incluindo pressão. Produzem uma carga elétrica que pode ser medida e convertida num sinal elétrico proporcional através de elétrodos. Um condicionador de sinal converte a carga num valor de pressão utilizável.

Os sensores piezoelétricos são ideais para medições de pressão dinâmicas e de rápida variação, como análise de motores de combustão interna, testes de colisão, dinâmica de veículos e outros estudos. No entanto, devido à sua natureza, não são adequados para a maioria das medições de pressão estática.

Aplicações de sensores de pressão piezoelétricos:

Estes sensores são ideais para medições de pressão dinâmicas, alta largura de banda, como na análise de combustão de motores e estudos de ondas de choque.

Vantagens dos sensores de pressão piezoelétricos:

• Alta largura de banda, resposta em frequência

• Funcionamento robusto e autoalimentado

• Adequados para medições de pressão dinâmicas e transitórias

Desvantagens dos sensores de pressão piezoelétricos:

• Não adequados para medições de pressão estática

• Requerem manuseamento cuidadoso para evitar fadiga do material

• Sensibilidade à temperatura

Sensores de pressão MEMS

Os sensores de pressão MEMS, sistemas microeletromecânicos, integram elementos mecânicos, sensores e eletrónica num chip de silício para medir pressão. Estes sensores apresentam tipicamente um diafragma micromaquinado que se deforma sob pressão, com elementos piezoresistivos ou placas capacitivas a medir essa deformação. A eletrónica integrada processa então o sinal.

Os sensores MEMS são amplamente utilizados em eletrónica de consumo, sistemas automóveis e dispositivos médicos devido ao seu tamanho reduzido, baixo consumo de energia, elevada precisão e fiabilidade.

Aplicações de sensores de pressão MEMS:

Amplamente utilizados em eletrónica de consumo, sistemas automóveis e dispositivos médicos.

Vantagens dos sensores de pressão MEMS:

• Tamanho reduzido e baixo consumo de energia

• Ideais quando a precisão do sensor de pressão é importante

• Baixo custo

• Sensores capacitivos MEMS são bons para medições de pressão estática

• Sensores piezoresistivos MEMS são adequados para medições de pressão dinâmicas

Desvantagens dos sensores de pressão MEMS:

• Limitados a gamas de pressão mais baixas

• Sensíveis a variações de temperatura

Sensores de pressão de fio ressonante

Estes sensores medem alterações na frequência de ressonância de um fio ou diafragma induzidas pela pressão. A pressão altera a tensão no fio, o que por sua vez modifica a sua frequência de ressonância.

Compostos por um fio ou diafragma ressonante e um driver e sensor eletromagnético, os sensores de fio ressonante são conhecidos pela sua elevada precisão e estabilidade, tornando-os ideais para aplicações como altimetria e meteorologia.

Aplicações de sensores de pressão de fio ressonante:

Utilizados em aplicações que exigem elevada precisão e estabilidade, como altimetria e meteorologia.

Vantagens dos sensores de pressão de fio ressonante:

• Alta precisão e estabilidade

• Baixa histerese

Desvantagens dos sensores de pressão de fio ressonante:

• Complexos e dispendiosos

• Sensíveis a variações de temperatura

Sensores de pressão ópticos

Os sensores de pressão ópticos medem alterações nas propriedades ópticas de um material induzidas pela pressão ou a deflexão de um diafragma utilizando fibras ópticas e interferometria. A fibra óptica transmite luz e um interferómetro ou fotodetetor deteta alterações nas propriedades da luz.

Estes sensores operam em ambientes agressivos, como exploração de petróleo e gás e aplicações biomédicas. São imunes à interferência eletromagnética e podem operar em ambientes explosivos, mas o seu custo elevado e a necessidade de equipamento especializado para processamento de sinal são desvantagens importantes.

Aplicações de sensores de pressão ópticos:

Adequados para ambientes agressivos, como exploração de petróleo e gás e aplicações biomédicas.

Vantagens dos sensores de pressão ópticos:

• Imunes à interferência eletromagnética

• Adequados para ambientes agressivos e explosivos

Desvantagens dos sensores de pressão ópticos:

• Custo relativamente elevado

• Requerem equipamento especializado para processamento de sinal

Sensores de pressão por condutividade térmica

Também conhecidos como manómetros Pirani, os sensores de pressão por condutividade térmica operam com base no princípio de que a condutividade térmica de um gás varia com a sua pressão. Um elemento de aquecimento resistivo, frequentemente um filamento, aquece o gás dentro do sensor, e sensores de temperatura são colocados perto do elemento de aquecimento para medir a temperatura do gás.

A pressões mais baixas, existem menos moléculas de gás, pelo que dissipam menos calor, resultando em temperaturas mais elevadas perto do elemento de aquecimento. A pressões mais elevadas, existem mais moléculas de gás para conduzir o calor, levando a temperaturas mais baixas perto do elemento de aquecimento. A diferença de temperatura medida pelos sensores é utilizada para calcular a condutividade térmica do gás. Como a condutividade térmica é uma função conhecida da pressão para um determinado gás, o sensor pode então determinar a pressão a partir desta relação.

Aplicações de sensores de condutividade térmica: utilizados em sistemas de vácuo e ambientes de baixa pressão, como na fabricação de semicondutores.

Vantagens dos sensores de condutividade térmica:

• Simples e robustos

• Adequados para medições de baixa pressão

Desvantagens dos sensores de condutividade térmica:

• Limitados a determinadas gamas de pressão

• Afetados pelo tipo de gás medido

Manómetro de tubo de Bourdon

O manómetro de tubo de Bourdon é um dos métodos mais antigos e mais utilizados para medir pressão. É um sensor mecânico que funciona com base no princípio da deformação. Um tubo curvo tende a endireitar-se quando pressurizado, e esta deformação é proporcional à pressão aplicada. O elemento sensível principal é um tubo em forma de C, normalmente feito de metal, que está ligado a um mecanismo que converte a deformação do tubo num movimento legível num mostrador.

Aplicações do tubo de Bourdon:

Os tubos de Bourdon são amplamente utilizados em aplicações industriais para medir pressões médias a elevadas em sistemas hidráulicos e pneumáticos.

Vantagens do tubo de Bourdon:

• Design simples e robusto

• Totalmente mecânico, não necessita de alimentação elétrica

• Económico

Desvantagens do tubo de Bourdon:

• Precisão limitada em comparação com sensores eletrónicos

• Suscetível a desgaste mecânico ao longo do tempo

Manómetros

Enquanto os manómetros de Bourdon medem a pressão através de deformação mecânica, os manómetros utilizam deslocamento de fluido. Equilibram uma coluna de fluido com a pressão a medir, onde a altura da coluna é proporcional à pressão. Estão disponíveis em várias configurações mecânicas, incluindo manómetros de tubo em U, manómetros inclinados e manómetros digitais.

Aplicações dos manómetros:

Os manómetros são utilizados em aplicações especializadas como experiências laboratoriais ou medições de baixa pressão.

Vantagens dos manómetros:

• Podem medir pressões muito baixas com elevada precisão

• Construção simples, podendo ser utilizados para medições de pressão diferencial

• Não necessitam de alimentação elétrica

• Custo relativamente baixo

Desvantagens dos manómetros:

• Não conseguem medir pressões tão elevadas como os tubos de Bourdon

• Suscetíveis a desgaste mecânico ao longo do tempo

Manómetros de diafragma

Os sensores de pressão de diafragma são uma boa solução para medições de baixa a média pressão, especialmente quando estão presentes líquidos corrosivos, gases ou líquidos de alta viscosidade. As suas portas são mecanicamente isoladas entre si, pelo que podem ser utilizados tanto para gases como para líquidos. Utilizam um diafragma flexível que se deforma em resposta a variações de pressão. A deformação é convertida numa leitura num mostrador através de um mecanismo mecânico, numa saída elétrica através de um transdutor, ou por vezes em ambos. Para aplicações de maior largura de banda, alguns sensores de pressão de diafragma utilizam um sensor piezoelétrico para realizar a medição.

Aplicações de manómetros de diafragma:

Os manómetros de diafragma são adequados para medições de baixa a média pressão, especialmente em ambientes onde estão presentes líquidos viscosos ou gases e líquidos corrosivos, tornando os tubos de Bourdon e outros sensores de pressão impraticáveis.

Vantagens dos manómetros de diafragma:

• Alta sensibilidade e precisão

• Capacidade de medir pressões baixas

Desvantagens dos manómetros de diafragma:

• Limitados a determinadas gamas de pressão

• Potencial de fadiga do material ao longo do tempo

Manómetros de ionização

Estes sensores medem a pressão com base na ionização das moléculas de gás. Um campo elétrico ioniza o gás, e os iões resultantes são recolhidos por elétrodos para gerar uma corrente proporcional à pressão. A corrente de iões é então convertida numa leitura de pressão. Devido à sua elevada sensibilidade, estes manómetros são utilizados principalmente em aplicações de vácuo ultra-alto, como investigação científica e câmaras de simulação espacial.

Aplicações de manómetros de ionização:

Estes sensores são utilizados principalmente em aplicações de vácuo ultra-alto em investigação científica e câmaras de simulação espacial.

Vantagens dos manómetros de ionização:

• Extremamente sensíveis

• Adequados para medições de vácuo ultra-alto

Desvantagens dos manómetros de ionização:

• Complexos e dispendiosos

• Requerem vácuo elevado para funcionamento preciso

Principais aplicações de sensores de pressão

Os transdutores e sensores de pressão são essenciais em muitas indústrias e aplicações devido à sua capacidade de medir e monitorizar a pressão com precisão. Aqui estão algumas das principais aplicações:

Indústria automóvel

Os sensores de pressão automóvel são utilizados em várias aplicações, incluindo:

• Pressão no coletor de admissão, pressão de combustível, pressão de óleo

• Sistemas de monitorização da pressão dos pneus, TPMS

• Sistemas de travagem, níveis de pressão hidráulica

• Transmissão e sistemas de engrenagens, pressão hidráulica

Saúde e dispositivos médicos

Os sensores de pressão médicos são utilizados em várias aplicações, incluindo:

• Monitorização da pressão arterial

• Pressão de ar em ventiladores e CPAP

• Pressão em bombas de infusão

Automação industrial

A medição de pressão industrial é amplamente utilizada nestas e outras aplicações:

• Sistemas hidráulicos e pneumáticos

• Pressão de gases e líquidos em tubagens, reatores e tanques de armazenamento

• Deteção de fugas em tubagens

Aeroespacial e defesa

• Altitude, pressão barométrica, pressão atmosférica

• Pressão da cabine

• Monitorização da pressão de combustível

Eletrónica de consumo

• Smartphones e dispositivos vestíveis, altitude e pressão barométrica, fitness e serviços de localização

• Medição da pressão da água em eletrodomésticos como máquinas de lavar roupa e loiça

Monitorização ambiental

• Estações meteorológicas, sensores de pressão barométrica medem a pressão atmosférica para previsão do tempo e estudos climáticos

• Monitorização da qualidade da água, sensores de pressão monitorizam sistemas de água para garantir abastecimento limpo e seguro

Indústria do petróleo e gás

• Medições de pressão para segurança em sistemas de perfuração

• Medição da pressão em tubagens para deteção de fugas e bloqueios

Indústria alimentar e de bebidas

• Medições de pressão em embalagens para garantir vedação adequada e evitar contaminação

• Controlo de pressão em equipamentos de processamento alimentar

Indústria marítima

• Monitorização da pressão em tanques de lastro para otimizar a flutuabilidade

• Monitorização da pressão de óleo e combustível em motores de combustão

Sistemas HVAC

• Monitorização da pressão de refrigerante

• Controlo e monitorização da pressão do ar para qualidade e conforto

Conclusão

A medição de pressão é crítica para diversas aplicações industriais e científicas, exigindo uma variedade de sensores e tecnologias para satisfazer diferentes requisitos. Desempenha um papel fundamental na monitorização e controlo de processos em áreas como aeroespacial, automóvel, saúde, monitorização ambiental e manufatura.

Cada método, desde o robusto tubo de Bourdon até aos sensores digitais MEMS altamente sensíveis, oferece vantagens e limitações específicas. A seleção do método de medição de pressão adequado depende de fatores como a gama de pressão, o ambiente, os requisitos de precisão e as restrições específicas da aplicação. Os avanços na tecnologia de sensores continuam a melhorar as capacidades e aplicações da medição de pressão, abrindo caminho para soluções mais precisas, fiáveis e versáteis no futuro.