Conhecendo a medição de pressão – Parte 4
*Por 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 quarto texto aborda especificamente sensores de pressão do tipo piezoelétricos. 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. A terceira parte, sobre sensores de pressão capacitivos, você tem mais informações aqui.
O efeito piezoelétrico
A descoberta do efeito piezoelétrico, por Pierre Curie (ganhador do Prêmio Nobel e esposo da também vencedora do Nobel, Marie Curie), em 1880, marcou um momento crucial no mundo da ciência e tecnologia. No entanto, somente na década de 1950 os fabricantes começaram a aproveitar o potencial do efeito piezoelétrico para aplicações industriais de detecção. Desde então, esse inovador princípio de medição gradualmente ganhou destaque e evoluiu para uma tecnologia bem estabelecida, conhecida por sua excepcional confiabilidade.
A piezoeletricidade é um fenômeno notável que ocorre em materiais específicos quando submetidos a estresse mecânico, resultando na geração de uma carga elétrica. Sensores de pressão piezoelétricos capitalizam esse efeito ao quantificar a tensão produzida em um elemento piezoelétrico, em resposta à pressão aplicada. Esses sensores exibem uma durabilidade excepcional e são amplamente utilizados em diversas aplicações industriais.
Veremos, na sequência, como exatamente um sensor de pressão, baseado no efeito piezoelétrico, funciona.
Princípio de funcionamento
Quando uma força externa é aplicada a um material piezoelétrico, ela induz uma carga elétrica ao longo das superfícies do cristal. O núcleo do sensor é um material piezoelétrico, como quartzo, PZT (titânio zirconato de chumbo) ou PVDF (fluoreto de polivinilideno). Quando a pressão é aplicada a esse material, ele se deforma ou gera estresse mecânico. Essa deformação desencadeia uma redistribuição de cargas elétricas na estrutura de cristal do material.
À medida que o material piezoelétrico é deformado, devido à pressão aplicada, ele cria uma carga elétrica em suas superfícies. Essa carga é proporcional à magnitude da pressão aplicada. Essencialmente, o material converte a energia mecânica da pressão proporcionalmente em energia elétrica, medida diretamente como uma diferença de potencial em seus eletrodos. Esse sinal pode ser calibrado para representar unidades de pressão, como Pascal (Pa) ou libra por polegada quadrada (psi), dependendo da aplicação específica.
E o inverso também é verdade: quando uma tensão é aplicada ao material, ocorre o efeito piezoelétrico inverso, fazendo com que ele altere sua forma!
Montagem do sensor
Sensores de pressão piezoelétricos requerem apenas uma deflexão mínima do material piezoelétrico para gerar um sinal de saída utilizável, tornando-os excepcionalmente robustos e capazes de suportar condições de sobrepressão.
Em aplicações práticas, tais sensores são frequentemente projetados dentro de tubos rosqueados para facilitar a montagem em equipamentos, onde o monitoramento da pressão é essencial. De forma bem simplificada, o material piezoelétrico é montado em contato com o diafragma do sensor, conforme figura a seguir.
Figura 1 – Esquema simplificado de funcionamento de um sensor de pressão piezoelétrico.
Tal esquema de montagem, juntamente com elementos piezoelétricos apropriados, podem fornecer tensões vc entre dezenas de milivolts (mV) até poucos volts (V).
Sensibilidade
Sensores de pressão piezoelétricos oferecem características de saída lineares em uma ampla faixa de pressão, normalmente variando de 0,7 kPa a 70, com uma impressionante precisão de aproximadamente 1%. Essa confiabilidade e precisão tornam os sensores de pressão piezoelétricos indispensáveis em uma variedade de indústrias e aplicações.
Porém, deve-se tomar cuidado com a faixa de frequência de utilização, pois tais sensores apresentam atenuações importantes em baixa frequência, e um pico de ressonância bastante acentuado em altas, conforme gráfico abaixo. A relação tensão do cristal vc por força f é uma medida padrão de tais sensores.
Figura 2 – Resposta em frequência típica de um elemento piezoelétrico.
Além disso, os materiais piezoelétricos possuem um alto módulo de elasticidade, comparável a muitos metais e atingindo até 106 Pa. Sua sensibilidade à tensão mecânica chega a ser 50.000 vezes superior à sensibilidade de um sensor piezoresistivo, e 1.000 vezes maior que a sensibilidade de sensores capacitivos.
Vantagens e desvantagens
Os sensores de pressão piezoelétricos oferecem diversas vantagens significativas. Eles são altamente sensíveis e capazes de detectar até as mais sutis variações de pressão, tornando-os ideais para aplicações que exigem precisão. Além disso, possuem um tempo de resposta rápido, permitindo o monitoramento em tempo real de eventos de pressão dinâmica. Eles se destacam em aplicações em que são necessárias medidas rápidas e precisas de mudanças de pressão, como na monitorização da combustão em motores, medição da pressão arterial, detecção de forças de impacto em testes de colisão ou mesmo em equipamentos industriais para controle de qualidade e monitoramento de processos.
Sua durabilidade e resistência a condições ambientais adversas também aumentam sua confiabilidade em ambientes desafiadores, inclusive sendo altamente recomendáveis em ambientes com elevados índices de radiação eletromagnética, dado que estes sensores não são influenciados por tal tipo de radiação.
Entretanto, é importante observar que esses sensores geralmente não são adequados para medir pressão estática. Isso ocorre porque a carga elétrica gerada por uma força constante tende a se dissipar ao longo do tempo, devido a fatores como isolamento imperfeito, resistência interna do sensor e eletrônicos conectados. Apesar dessa limitação, sua sensibilidade dinâmica única os torna excepcionalmente eficazes na detecção de pequenas variações de pressão em uma ampla gama de frequências e níveis de pressão, mesmo em ambientes de alta pressão.
Sobre o autor: 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.
