Conhecendo a medição de pressão – Parte 5
*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 texto aborda especificamente sobre os sensores de pressão do tipo extensiométricos. 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. Já a quarta parte, sobre sensores do tipo piezoelétricos, está aqui.
O sensor tipo extensiométrico
A descoberta e desenvolvimento do sensor tipo extensiométrico, também conhecido como extensômetro ou strain gauge, representou um marco significativo na evolução da tecnologia de medição de deformação. Embora o conceito tenha sido concebido no final do século XIX, por Edward E. Simmons e Arthur C. Ruge, foi somente a partir das décadas de 1930 e 1940 que sua aplicação prática começou a ganhar destaque, permitindo uma compreensão mais profunda dos comportamentos estruturais e mecânicos de diversos materiais e dispositivos.
Esses sensores desempenham um papel fundamental em uma ampla gama de aplicações industriais, desde a monitorização de tensões em estruturas civis e componentes de pontes, até o controle de qualidade em processos de fabricação de produtos sensíveis. A sua notável sensibilidade e versatilidade, os tornaram uma ferramenta essencial para engenheiros e cientistas que buscam compreender os limites de resistência e durabilidade de materiais diversos.
A seguir, exploraremos com mais detalhes o funcionamento intrínseco desse notável sensor de deformação e suas aplicações abrangentes na indústria e na pesquisa científica.
Princípio de funcionamento
Os sensores extensiométricos operam com base no princípio de variação da resistência elétrica em resposta à deformação mecânica de um material. Tipicamente, um fio condutor fino (ou uma grade condutora) é fixado à superfície de um objeto sujeito a análise. Quando uma força externa é aplicada, ocorre uma modificação na geometria do material, resultando em uma alteração proporcional na resistência elétrica do extensômetro.
Essa variação na resistência elétrica, pode ser expressa pela equação:
Onde:
O sinal resultante da variação na resistência elétrica é então processado por um circuito associado ao extensômetro, que converte essa variação em uma medida quantitativa da tensão ou compressão aplicada ao objeto. A notável sensibilidade dos sensores extensiométricos permite a detecção precisa, mesmo das menores deformações, tornando-os instrumentos essenciais para análise de tensão e deformação em materiais sujeitos a cargas variáveis.
Ok. Mas, e como medir pressão com um extensômetro?
Montagem do sensor
Em um sensor de pressão que utiliza extensômetros para medição, a aplicação prática desse conceito implica fixar os extensômetros em posições específicas ao redor da região do diafragma ou da estrutura que está sujeita à carga, conforme mostra a Figura 1.
Os dados resultantes das mudanças na resistência são tipicamente adquiridos e processados por um sistema de aquisição de dados dedicado, que converte as variações de resistência em medidas de pressão correspondentes.
A montagem e a configuração precisas dos extensômetros no sensor de pressão são fundamentais para garantir a sensibilidade e a confiabilidade da medição. Além disso, a calibração cuidadosa do sistema é essencial para garantir uma resposta precisa e linear do sensor em toda a faixa de pressão operacional desejada.
Circuito de condicionamento
Os quatro elementos podem ser ligados à uma Ponte de Wheatstone em série com um circuito de amplificação. Isso permite que pequenas mudanças na resistência do sensor sejam convertidas em uma tensão de saída.
Para energizar a ponte, uma tensão de excitação Vin deve ser fornecida. Quando a ponte está em equilíbrio, todos os resistores da ponte estão balanceados e a saída Vout será igual zero volts. No entanto, uma variação na pressão induz modificações nas resistências através da ponte, produzindo, assim, uma tensão correspondente, na sua saída. A equação do sinal de saída Vout da Ponte de Wheatstone é:
Além disso, a utilização de quatro elementos variáveis na ponte, aumenta a amplitude do sinal de saída, pois os pares trabalham sendo sujeitos a tensões iguais e opostas.
Quanto ao amplificador de instrumentação, o diagrama traz um esquema simplificado de sua utilização, dado que existem diversas formas de se implementar tal circuito, e isso está fora do escopo deste artigo. Porém, é importante citar que tal circuito, além de amplificar o sinal proveniente da Ponte de Wheatstone, também precisa levar em conta a compensação devido à variação de temperatura dos elementos.
Vantagens e desvantagens
Os sensores extensiométricos de pressão oferecem uma série de vantagens notáveis. Eles são altamente precisos na medição de pressão estática, o que os torna ideais para aplicações que exigem uma resposta estável e confiável em situações em que as variações de pressão são relativamente constantes. Além disso, esses sensores são altamente versáteis, podendo ser adaptados para uma ampla gama de aplicações industriais, desde testes de carga e tensão em estruturas e componentes até a medição de pressão em ambientes controlados.
Sua robustez estrutural e capacidade de suportar condições ambientais agressivas, aumentam sua confiabilidade em ambientes desafiadores, tornando-os adequados para uso em setores como aeroespacial, automotivo e de construção. A capacidade de resistir a choques mecânicos e vibrações intensas também os torna ideais para aplicações industriais que exigem uma medição precisa e confiável em ambientes adversos.
No entanto, é importante observar que os sensores extensiométricos de pressão podem ser limitados em termos de resposta dinâmica em comparação com outros tipos de sensores de pressão. Eles podem não ser tão sensíveis a variações rápidas de pressão, o que pode limitar sua aplicabilidade em cenários que exigem uma detecção rápida e precisa de mudanças instantâneas de pressão. Apesar dessa limitação, sua capacidade de oferecer medições estáveis e confiáveis em pressões constantes, os torna uma escolha confiável em uma variedade de contextos industriais e de pesquisa.
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.
