Sensores dos transmissores de pressão

Dando continuidade sobre medição de pressão, falarei um pouco sobre os sensores dos transmissores de pressão, a pressão é a variável mais utilizada em praticamente qualquer planta industrial, principalmente porque com ela se pode medir outras grandezas como nível, temperatura, vazão e até análises.

Com a necessidade de monitoramento e controle das variáveis de processo a transmissão de sinais se tornou algo fundamental e apresentou uma evolução fantástica da era pneumática a era digital, os inúmeros tipos de sensores de pressão são acoplados aos transmissores e os transmissores devem processar essa informação e modifica-lo para um padrão de comunicação.

O foco desse artigo serão os tipos de sensores dos transmissores de pressão eletrônicos.

Elementos do transmissor

O transmissor normalmente é um equipamento divido em dois, sendo o elemento sensor, que recebe o sinal de processo e modifica para o transmissor que envia o sinal padronizado para um sistema de controle ou monitoramento.

Os elementos do transmissor são:

Sensor

É um dispositivo que converte uma variável física, como a pressão, em uma quantidade analógica entre limites, geralmente mecânica por deslocamento ou elétrica (tensão, corrente ou resistência). O sensor está em contato com o processo e envia um sinal não padronizado e dependente do valor do processo.

O sensor pode ser também chamado de elemento primário, probe, detector e transdutor, sendo esse último também à denominação de qualquer dispositivo que converte um sinal de entrada em um sinal de saída de forma diferente.

Transmissor

Instrumento que processa o sinal do sensor e gera um sinal padronizado pneumático, eletrônico ou digital proporcional ao valor da variável. A entrada do transmissor não é padronizada (já que depende dos sinais do sensor) e sua saída é padrão de natureza igual ou distinta.

É desejável que a saída do transmissor seja linearmente proporcional a variável medida, mas nem sempre isso é possível, como no caso da medição de vazão por pressão diferencial.

Os sinais mais comuns analógicos normalmente estão em uma relação 5:1, sendo essa relação de proporcionalidade entre os valores máximo e mínimo respectivamente:

Relação 5:1 em sinais analógicos

Afinal, o que isso significa?

Pensando em um transmissor de pressão com faixa de trabalho de 0 a 15 bar e configurado de 0 a 10 bar com sinal de saída de 4 a 20 mA, qual a relação proporcional do sinal?

Apesar de o transmissor suportar uma pressão de 15 bar máximo, ele foi configurado com limite superior de 10 bar, portanto o 20 mA corresponde a 10 bar.

Trabalhando com função de transferência linear.

A norma que rege a padronização dos sinais eletrônicos é a ANSI/ISA-50.00.01-1975 (R2012), Compatibility of Analog Signals for Electronic Industrial Process Instruments.

Tipos de sensores disponíveis

Abaixo serão descritos alguns tipos de elementos sensores eletrônicos

• Sensor por célula capacitiva

Esse sensor consiste na deformação das armaduras de um capacitor. Tal deformação altera o valor da capacitância total, que é medida e convertida por um circuito eletrônico. Devido a falta de linearidade inerente entre a capacitância e a distância das armaduras, devido a deformação não linear, a linearização é realizada pelo circuito eletrônico.

Ilustração retirada do artigo sobre pressão do Engº Cesar Cassiolato - Smar

Formas construtivas

O sensor é formado por:

• Armaduras fixas metalizadas sobre um isolante de vidro fundido

•  Armadura móvel (diafragma do sensor)

•  Dielétrico formado pelo óleo de enchimento, sendo que o tipo de óleo depende da temperatura (fluído pode evaporar), pressão (principalmente em vácuo que altera o ponto de vaporização do fluído) isso pode prejudicar ou danificar a performance do transmissor e as características físicas e químicas do processo que em caso de vazamento evite contaminações no mesmo.

Podem-se encontrar boas informações sobre os tipos de fluído de enchimento e compatibilidade físico-química no link abaixo

Fluído de enchimento

A célula é dividida em duas câmaras (tomadas) a de alta (high – simbolizada pela letra H) e a de baixa (low – simbolizada pela letra L), uma diferença de pressão entre essas duas câmaras produz uma força no diafragma isolador, que é transmitida pelo líquido de enchimento (daí a importância dele). A força atinge a armadura flexível (diafragma sensor) provocando a sua deformação, alterando assim o valor original das capacitâncias formada pelas armaduras fixas e a armadura móvel. A alteração de capacitância é medida e condicionada pelo circuito eletrônico que era um sinal proporcional a variação da pressão aplicada à câmara da cápsula de pressão diferencial capacitiva.

Assim temos:

PH  e PL sendo as pressões aplicadas nas câmaras H e L.

CH = capacitância medida entre a placa fica do lado H e o diafragma sensor

CL = capacitância medida entre a placa fica do lado L e o diafragma sensor

d = distância entre as placas fixas de CH e CL

∆d = deflexão sofrida pelo diafragma sensor quando aplicada pressão diferencial PD = PH – PL

A capacitância é calculada por:

Onde:

C = capacitância (F) (Farad)

ε = constante dielétrica do meio existente entre as placas do capacitor (F/mm) que depende do material

d = distância entre as placas (mm)

A = área das placas do capacitor (mm²)

Se considerar CH e CL como capacitâncias de placas planas de mesma área e paralelas, quando tivermos PH maior de PL teremos:

Podemos admitir que a pressão diferencial (PD) é proporcional à variação da distância (∆d).

• Sensor Strain-Gauge (célula de carga)

Está baseado no princípio de variação da resistência elétrica de um condutor, quando alterada suas dimensões (segunda Lei de Ohm).

Pela segunda lei de Ohm temos

Sendo:

R – Resistência do condutor (Ω)

ρ – Resistividade do material (Ω.mm ou Ω.mm²/m)

A – Área da secção transversal (mm²)

L – Comprimento do condutor (mm ou m)

A resistência do condutor é diretamente proporcional a resistividade do material e ao seu comprimento e inversamente proporcional a área da secção transversal.

E como poderemos alterar a resistência de um condutor com suas características definidas?

A maneira mais fácil de alterarmos as dimensões de um condutor é tracionando no sentido axial, conforme figura abaixo:

Para um comprimento L temos a variação de ∆L então para um comprimento 10xL teremos uma variação de 10x ∆L, ou seja, quanto maior o comprimento do fio, maior a resistência obtida e sensibilidade do sensor para uma mesma pressão (força) aplicada.

O sensor consiste de um fio firmemente colado sobre uma lâmina base, dobrando-se o mais compacto possível. Esta montagem denomina-se fita extensiométrica onde se observa que o fio, apesar de solidamente ligado à lâmina de base, precisa estar eletricamente isolado na mesma. Uma das extremidades da lâmina é fixada em um ponto de apoio rígido enquanto a outra será o ponto de aplicação da força. De acordo com a física sabemos que quando um material sofra uma flexão suas fibras internas são submetidas a dois tipos de deformação, ocasionadas pela tração e compressão. As fibras mais externas da lâmina sofrem um alongamento com a tração, pois pertencem ao perímetro de maior raio de curvatura, enquanto as fibras internas sofrem uma redução de comprimento que é o menor raio de curvatura.

Como o fio está ligado à lâmina ele também sofrerá um alongamento, acompanhado a superfície externa, variando sua resistência. Para aumentar a sensibilidade do sensor, pode-se utilizar uma configuração conforme a figura abaixo:

Com essa configuração, utilizando as quatro fitas extensiométicas, percebe-se que “cai como uma luva” a utilização de uma ponte de Wheatstone, que ainda possuí a vantagem de compensar as variações de temperatura ambiente, pois os elementos estão montados em um único bloco.

A saída do sinal do sensor normalmente é em mV.

• Sensor por silício ressonante

O sensor consiste em uma cápsula de silício colocada estrategicamente em um diafragma, utilizando o diferencial de pressão para vibrar em maior ou menor intensidade, a fim de que essa frequência seja proporcional a pressão aplicada.

O sensor possui o sensor de silício e um imã permanente

Dois fatores influenciam a ressonância do sensor, além da pressão, o campo magnético do imã permanente posicionado sobre o sensor e o campo por uma corrente alternada.

A combinação do fator campo magnético e campo elétrico é responsável pela vibração do sensor. Um dos sensores ficará localizado ao centro do diafragma (FC) enquanto o outro terá sua disposição física mais à borda do diafragma (FR).

Por estarem localizadas em locais diferentes, porém no mesmo encapsulamento, uma sofrerá uma compressão e a outra tração, conforme a aplicação de pressão sentida pelo diafragma. Desta maneira, os sensores possuirão uma diferença de frequência entre si.

Esta diferença é sentida por um circuito eletrônico do transmissor e será proporcional a pressão diferencial aplicada.

Exemplo da proporcionalidade

• Sensor piezoelétrico

Os elementos piezoelétricos são cristais, como o quartzo e a turmalina, que acumulam cargas elétricas em certas áreas da estrutura cristalina quando sofrem uma deformação física por ação de uma pressão. São elementos pequenos e de construção robusta.

O sensor piezoelétrico converte uma variável de processo medida em uma variação de carga eletrostática (Q) ou tensão (E) gerada por certos materiais quando mecanicamente estressados. O stress é tipicamente de forças de compressão ou tração ou por forças de torção exercida no cristal diretamente por um elemento sensor ou por um elo mecânico ligado ao elemento sensor. Seu sinal de resposta é linear com a variação de pressão. São capazes de fornecer sinais de altíssimas frequências (milhões de ciclos por segundo).

O efeito piezoelétrico é um fenômeno reversível. Se for conectado a um potencial elétrico resultará em uma correspondente alteração da forma cristalina. Este efeito é altamente estável e exato.

A carga devida à alteração da forma é gerada sem energia auxiliar, uma vez que o quartzo é um elemento transmissor ativo. Esta carga é conectada à entrada de um amplificador, sendo indicada ou convertida em um sinal de saída, para tratamento posterior na eletrônica do transmissor.

Entendendo os sensores fica mais fácil explicar os transmissores que será abordado posteriormente.

Medição de nível - medidores diretos - parte 1

Qual seria a importância  de quantificar um produto armazenado? Quanto de produto foi utilizado em uma receita? Qual o balanço de material gasto? Qual o planejamento de pedidos da matéria prima desejada em função da sua utilização?

A medição e controle de nível tem grande importância, podemos medir a quantidade de produto em um tanque de armazenamento de matéria prima, podendo assim prever quantas produções podem ser realizadas antes de solicitar novamente o enchimento desse tanque, influenciando diretamente na decisão dos gestores de produção, medir a quantidade de produto que está sendo utilizado em uma determinada produção, medir a quantidade de produto acabado armazenado que será vendido (controle de custos e inventário), em medições de segurança de processos evitando transbordamentos de produtos perigosos ou quebra de equipamentos, dependendo da situação podemos até medir vazão através do nível como pode ser feito em calhas Parshall e vertedouros.

O intuito desse artigo é descrever algumas técnicas de medição de nível que podem ser aplicadas, dependendo, obviamente, das condições de processo, cabendo a equipe multidisciplinar definir em consenso qual o melhor equipamento a ser instalado e a precisão desejada.

Esse artigo será dividido em três partes de acordo com as classificações abaixo:

Classificação e tipo de medidores de nível

A medição de nível de produto em um equipamento é efetuada de forma a manter a variável em um valor fixo, entre valores pré-determinados ou para determinar a quantidade de massa ou volume.

Existem três métodos de medição utilizados, sendo esses:

• Medição direta:

É a medição que tem como referência a posição do plano superior do produto medido, sendo elas:

- Réguas ou gabaritos

- Visores de nível

- Boia ou flutuadores

• Medição indireta:

É o método de medição que determina o nível em função de uma segunda variável, podemos citar:

- Pressão diferencial

- Borbulhador

- Empuxo

- Capacitivo

- Radar

- Ultrassônico

- Por peso (células de carga)

- Radioativo

• Medição descontínua

Método de medição pontual utilizando sensores que não podem medir continuamente, impondo assim um limite físico, normalmente são utilizados em caso de segurança, até porque trabalham em um limite máximo de atuação até ocorrer sua falha, sendo alguns deles:

- Chave de nível por eletrodo

- Chave de nível vibratória

- Chave de nível capacitiva

- Chave de nível tipo boia magnética

- Chave de nível tipo boia lateral

- Chave de nível tipo pêra

- Chave de nível tipo pá rotativa

As medições realizadas com método direto são as preferíveis, principalmente por não sofrer tantas influências por condições externas que afetam as medições de nível, como a temperatura (muda a densidade), pressão, concentração em caso de misturas (lembrando que a densidade final de um produto depende da densidade dos produtos envolvidos e sua quantidade na mistura), e o fato de que não depende de fonte de energia externa para funcionar, em caso de queda de energia ainda é possível realizar a medição local.

Sabemos que na maioria das vezes isso não é possível, sendo assim atualmente as medições por métodos indiretos as mais utilizadas, sendo que com o avanço tecnologia atingem uma excelente precisão e pode ser instalados nas mais diversas situações possível, possuindo recursos para otimizar as medições quando conhecemos as interferência possíveis.

As medições descontínuas, como dito anteriormente, são implementadas em medições pontuais, sendo normalmente utilizadas como intertravamento de segurança, principalmente para evitar transbordo em tanques.

Medidores de nível por medição direta

• Medidor de nível tipo régua ou gabarito

É uma régua graduada com comprimento especifico relacionado ao tamanho do tanque/equipamento que será introduzido dentro do reservatório para medição do nível.

A determinação do nível será realizada através da leitura direta do comprimento marcado na régua pelo nível. São instrumentos simples, com baixo custo para medições instantâneas locais, a graduação da régua pode ser feita em volume, massa, comprimento ou porcentagem, sendo sua fabricação realizada em função da temperatura do produto medido, devido a dilatação.

Tanque com régua graduada

• Visor de nível

Instrumento que trabalha pelo princípio dos vasos comunicantes.  Um tubo transparente é colocado a partir de um ponto base até um ponto considerado topo, permitindo a leitura local precisa do nível do produto ou até mesmo de interface entre líquidos imiscíveis, mesmo para altas pressões e temperaturas, até um limite lógico.

Alguns tipos de visor de nível

Visor de nível para caldeiras

• Medidor tipo flutuador

Medidor de Nível com flutuador interno

Neste medidor de nível, dispositivo esférico é colocado a flutuar no tanque, seu movimento vertical é convertido pela alavanca em movimento rotativo para

um indicador externo.

O flutuador é desenhado de modo que a linha de centro da esfera coincida com o nível da superfície do líquido, proporcionando uma máxima sensibilidade na mudança de nível.

Flutuador interno

 

Medidor de nível com flutuador externo

Neste medidor o flutuador é colocado em uma câmara montada do lado de fora do tanque. Conforme varia o nível do flutuador movimenta-se verticalmente.

Este por sua vez transmite esta variação ao elemento indicador através de um sistema de alavancas.

Sua vantagem sobre o sistema com flutuador interno está no fato deste ser menos afetado por oscilações na superfície do líquido contido no tanque ou por sua vaporização.

Com este medidor pode-se obter o nível em tanques sob pressão ou vácuo, medir nível de interface entre dois líquidos de densidade diferentes e medir nível de líquidos corrosivos.

Flutuador externo

Medidor de nível tipo flutuador livre

Medidor de nível tipo flutuador livre indica a variação do nível do líquido através do movimento ascendente e descendente do flutuador ligado por meio de uma fita metálica ou corrente a um peso.

Flutuador livre

 O próximo artigo sobre nível estarei falando sobre os medidores de nível por medição indireta

Sensores de temperatura de uso industrial - parte 1

Os sensores de temperatura mais comuns utilizados nas indústrias são os pares termoelétricos e os RTD’s (Resistance Temperature Detector).

Desses citados acimas os mais comuns são termopares e o PT100, por sinal, sabe qual a diferença entre um termopar e um PT100? Qual dos dois é melhor? Quando utilizar cada um?

Falarei um pouco sobre esses dois tipos de sensores de temperatura mais usuais nas indústrias.

Os sensores de temperatura são os elementos primários utilizados para saber qual a temperatura de determinado processo, normalmente são associados a transmissores ou conversores para leitura e controle de temperatura de maneira remota (à distância).

Sensores de temperatura por variação de resistência

Os sensores de temperatura por variação de resistências (RTD – Resistance Temperature Detector) é constituído por um grupo de metais que varia sua resistência ôhmica em função da temperatura de forma estável, com alta repetibilidade (capacidade de instrumento de apresentar leituras próximas em repetidas aplicação nas mesmas condições), baixa contaminação, menor influência de ruídos e alta precisão, seu aumento a resistência com o aumento da temperatura de maneira praticamente linear.

O PT100 faz parte desse grupo, sua denominação prove de:

• PT – Platina, material utilizado para fabricação do sensor;
• 100 – cem ohms é a resistência desse sensor a zero grau Celsius.

Existem vários tipos de RTD como Cu10, Ni150, PT1000 entre outros, sendo as letras referentes ao material do sensor e as numerações são referentes ao valor da resistência ôhmica do sensor a zero grau Celsius.

Os sensores RTD consistem em uma resistência em forma de fio de alta pureza, no caso do PT100 é a platina, encapsulado em um bulbo de cerâmica ou vidro (elemento isolante) com diâmetros que variam de 1 a 4 mm e comprimentos que variam de 10 a 40 mm, os fios são enrolados com distâncias paralelas evitando assim que entrem em curo-circuito quando submetidos a temperaturas elevadas.

A equação matemática que rege a variação de resistência em função da temperatura é chamada de equação Callendar-Van Dusen:

Para o range de -200 a 0°C

Para o range de 0 a 850°C

Onde:

Rt = resistência na temperatura t

R₀ = resistência a 0°C

t = temperatura °C

A,B e C = coeficientes determinados pela calibração

A = 3,90802 x 10^-3 (°C^-1)

B = -5,802 x 10^-1 (°C^-1)

C = -4,2750 x 10^-12 (°C^-1)

A variação de resistência em função da temperatura é chamado de alfa (α):

Onde:

R₁₀₀ = resistência a 100°C

R₀ = resistência a 0°C

Segundo a IEC 60751/08 (Industrial platinum resistance thermometers and platinum temperature sensors) um valor típico de alpha para R₁₀₀ = 138,50 Ω é de 3,859 x 10^-3 Ω.Ω^-1.°C^-1 isso para PT100 na faixa de -260 a 850°C.

Pode perceber a quase linearidade do sensor que para diagnósticos rápidos é ótimo, podemos utilizar um multímetro na escala de medição de resistência, porém o sensor deve estar desconectado do transmissor ou conversor (deve ser medido sem tensão a qual esses instrumentos fornecem).

A utilização da isolação mineral no sensor traz mais robustez e confiabilidade nas medições, nesse caso o elemento isolante e o condutor interno são colocados dentre de um tubo fino (por processo de trefilação) normalmente de inox com pó de óxido de magnésio, cuja função é manter a estabilidade térmica, eliminando todo ar de dentro do tubo, melhorando o tempo de resposta. Isso também traz flexibilidade no manuseio do sensor que pode ser dobrável, instalados em locais de difícil acesso, facilitando também a instalação.

De acordo com os resultados da fabricação são definidas duas classes principais de limites de erros (existem outras para padrões de laboratório e com menos precisão), sendo:

Classe B: ±0,30 + (0,005.t) °C

Classe A: ±0,15 + (0,002.t) °C

Exemplo:

Qual o limite de erro de um PT100 na temperatura de 180°C para as duas classes A e B?

Para classe A teremos:

Para classe B teremos:

Esses seriam os limites de erros para as duas classes a temperatura de 180°C.

Ponte de Wheatstone

A ponte de Wheatstone é um circuito utilizado para medição de resistência elétrica através do balanceamento das resistências do circuito montadas conforme figura abaixo

Ponte de Wheatstone

Como o PT100 é um elemento termorresistivo, o mesmo pode ser mensurado através desse circuito.

Ele é um circuito divisor de corrente que em cada ramo forma um divisor de tensão

A tensão V_AB entre as extremidades que não estão ligadas a fonte de alimentação que  nos interessa.

A equação da ponte de Wheatstone é desmembrada em duas partes, formando um divisor de tensão:

As tensões V_A e V_B de cada parte são equacionadas da seguinte forma:

E

Quando V_AB = V_A - V_B = 0, nessa condição a ponte está em equilibro.

Dessa igualdade teremos:

Sendo assim

Aplicando a propriedade distributiva

Finalizando a equação

A condição de equilíbrio é dada pela igualdade entre os produtos das resistências opostas.

Utilizando valores próximos a resistência desejada utiliza-se o sensor em um dos pontos da ponte e uma resistência variável confiável em outra conforme figura abaixo

Ponte de Wheatstone

Quando a fonte de tensão indicar 0V significa que atingiu a ponte atingiu seu equilíbrio e o valor indicado da resistência ficaria da seguinte forma

Atualmente são utilizadas pontes eletrônicas mais sofisticadas, porém o princípio básico parte dessa configuração apresentada.

Ligação do PT100

Existem três variações de ligação do PT100

• Ligação a dois fios

Ligação a dois fios

Nessa ligação R4 é a termoresistência  e R3 é a resistência variável para equilíbrio da ponte. As resistências RL1 e RL2 são as resistências dos cabos de ligação em série com a termoresistência R4, como na segunda Lei de Ohm a resistência tende a aumentar com a distância do cabo para a mesma secção transversal, assim como um aumento da secção transversal diminui a resistência para o mesmo comprimento.

Onde:

R = Resistência  (Ω)

Ρ = resistividade ( Ω.m) ou (Ω.mm²/m)

L = comprimento (m)

S = secção transversal (mm²)

Esse tipo de ligação pode ser utilizado com uma boa precisão até certa distância, que depende do comprimento, secção transversal, material do cabo de ligação.

• Ligação a três fios

É a ligação mais comum utilizada nas indústrias. Nesse circuito a intensão e aproximar a fonte de alimentação do sensor, ficando com a seguinte configuração:

Ligação a três fios

Assim a interferência das resistências dos cabos diminui, possibilitando alcançar maiores distâncias na instalação, a ligação a dois fios a resistência de linha estava em série com o sensor, agora a três fios estão separadas.

• Ligação a quatro fios

Essa ligação é menos utilizada nas indústrias, porém o nível de precisão e maior e o efeito da resistência dos cabos são praticamente desprezíveis. Esse tipo de ligação é utilizado em PT100 padrão para calibração ou laboratórios.

Ligação a quatro fios

Vantagens do PT100

• Possui maior precisão que outros sensores
• Estável  e boa repetibilidade
• Com a ligação adequada não existe limite de distância (porém o comum é instalar um transmissor próximo do sensor, além de economizar em quantidade de cabos, as entradas analógicas de corrente são mais baratos que os de sensores de temperatura)
• Menor influência a ruídos elétricos
• Curva de resistência por temperatura quase linear

Desvantagens

• São mais caros que os outros sensores
• Em processo tem baixo alcance de medição em relação aos termopares, os condutores internos mais comuns são de cobre que acima de 350°C degrada rapidamente e fica mais frágil a impactoso 
• Necessário que o bulbo esteja instalado em local com temperatura estabilizada (sem influencia do ar por exemplo)
• Tempo de resposta á mais lento
• Por se tratar por resistência possui auto aquecimento necessitando de instrumentação adequada

Verificação de funcionamento

Em campo é mais comum encontrar PT100 com ligação a três fios, portanto teremos três terminais para testar o sensor (também existe sensores duplos com 6 terminais), com o sensor desligado utiliza-se o multímetro na escala de resistência (Ω).

Medindo dois a dois dos cabos teremos as seguintes informações:

Resistência em valores baixos da ordem de 2Ω entre os cabos, significa que esses dois são comuns (cabos na cor vermelha).

Resistência entre 107Ω e 111 Ω (próximo da ambiente) entre os cabos significa que esses dois pontos são os extremos do sensor que vai realizar a medição (vermelho e branco (na figura é preto)).

Isso deve ser feito entre todos os terminais e todos devem dar valores, se não acontecer pode ter algum cabo interno no sensor está rompido ou sensor rompido. Caso ache valores muito divergentes desses provavelmente o sensor está com problemas também.