Conhecendo a medição de pressão – Parte 3
Rodrigo Trentini, Prof. Dr., Instituto Federal de Santa Catarina
Este texto faz parte de uma série de artigos que tratam sobre o princípio de funcionamento de vários tipos de sensores normalmente utilizados na indústria. Este segundo texto aborda especificamente sensores de pressão do tipo capacitivos. Se você ainda não leu a primeira parte desta série sobre conceitos básicos e históricos sobre pressão, clique aqui. A segunda parte, sobre sensores de pressão piezoresistivos, você encontra aqui.
O efeito capacitivo
O conceito de capacitância remonta ao século XVIII. O físico alemão Ewald Georg von Kleist e o cientista holandês Pieter van Musschenbroek descobriram independentemente o fenômeno do armazenamento de carga elétrica. Kleist criou o primeiro capacitor conectando um fio a uma jarra de vidro revestida com folha de metal. Essa configuração, conhecida como Jarra de Leyden, poderia armazenar energia elétrica. Em meados do século XVIII, experiências envolvendo jarras de Leyden e dispositivos semelhantes levaram à compreensão de que a quantidade de carga que um capacitor poderia armazenar dependia da sua área superficial e do material entre as placas.
Finalmente, o trabalho de Charles-Augustin de Coulomb no final do século XVIII contribuiu significativamente para a compreensão da relação entre carga elétrica, distância e força. A lei de Coulomb, que descreve a força entre duas cargas pontuais, foi fundamental para a compreensão do comportamento das cargas nos capacitores. Atualmente, a compreensão moderna da capacitância incorpora conceitos da mecânica quântica e da ciência dos materiais.
Mas como funciona exatamente um capacitor? Calma, já iremos explicar!
Princípio de funcionamento
A capacitância entre duas placas paralelas pode ser calculada usando a seguinte fórmula:
Montagem do sensor
De forma bastante simplificada, mantendo uma placa fixa e variando a posição de um diafragma que responde de acordo com a pressão aplicada sobre ele, pode-se obter uma variação da capacitância entre a placa e o diafragma. Veja o diagrama a seguir.
Figura 1 – Esquema simplificado de funcionamento de um sensor de pressão capacitivo.
Fios de cobre são utilizados, um em cada extremidade do capacitor. Pode-se utilizar um capacímetro para averiguar a variação da capacitância. Tipicamente são aceitos valores entre 50 pF e 100 pF. Valores maiores do que estes são difíceis de se obter, enquanto que valores muito menores são extremamente susceptíveis a condições externas (nota: até a posição dos fios do capacitor podem influenciar na capacitância total obtida).
Porém, dado que a capacitância é uma grandeza muito dependente da qualidade da construção do sensor, na prática não se mede-a diretamente, sendo necessário um circuito de condicionamento.
Circuito de condicionamento
Neste caso, utiliza-se o conceito de Ponte LC. Tal ponte nada mais é que um capacitor (que neste caso é o elemento do nosso sensor de pressão) em paralelo com um indutor. A ideia central é realizar uma montagem de forma que ambos os elementos trabalhem em ressonância, ou seja, trocando energia entre eles e mantendo uma determinada oscilação na tensão elétrica medida sobre a ponte.
A frequência de ressonância de uma ponte LC é:
onde f é a frequência de ressonância (em Hertz, Hz) e L é a indutância (em Henry, H). Note que se mudarmos a capacitância C, a frequência também muda. Ou seja, podemos obter uma variação de frequência a partir da variação da capacitância do nosso sensor de pressão!
Porém, a ponte LC não é suficiente para garantir uma oscilação sustentada, sendo também necessário a inserção de amplificadores operacionais. A configuração deste amplificador está fora do escopo deste artigo. O desenho esquemático simplificado do circuito de condicionamento para a determinação de uma frequência de oscilação a partir da pressão aplicada sobre o diafragma do sensor é mostrado na figura a seguir.
Figura 2 – Exemplo de circuito de condicionamento para sensor de pressão capacitivo.
A saída em frequência é interessante pois ela pode ser usada em conjunto com circuitos de filtragem para obter um sinal proporcional de corrente ou tensão. Além disso, também pode ser usada diretamente com um microcontrolador para a medição da capacitância.
Vantagens e desvantagens
Uma das vantagens dos sensores de pressão capacitivos é a sua capacidade de fornecer medições precisas e estáveis em uma ampla faixa de pressões. Eles também são geralmente considerados altamente confiáveis, duráveis e adequados para diversas aplicações, incluindo produtos eletrônicos industriais, automotivos, médicos e de consumo.
Ademais, eles podem possuem consumo de energia muito baixo porque não há corrente CC através do elemento sensor. A corrente só flui quando um sinal passa pelo circuito para medir a capacitância. Sensores passivos, onde um leitor externo fornece um sinal ao circuito, não requerem fonte de alimentação – esses atributos os tornam ideais para aplicações de baixo consumo de energia, como sensores remotos ou IoT.
No entanto, eles podem exigir considerações cuidadosas de projeto para mitigar fatores ambientais, como mudanças de temperatura, umidade e interferência elétrica, que podem influenciar seu desempenho. Finalmente, é necessário um projeto cuidadoso do circuito para a eletrônica da interface devido à alta impedância de saída do sensor e para minimizar os efeitos da capacitância parasita. Por este motivo, é importante que a seleção de tal tipo de sensor seja feita de forma cuidadosa, sempre prezando por empresas que garantam a qualidade do sensor.
Rodrigo Trentini é professor do Instituto Federal de Santa Catarina. Possui doutorado em Engenharia Elétrica pela Universidade de Hannover, Alemanha. Sua principal área de pesquisa é Sistemas de Controle.
