Como Funcionam os Sensores Absolutos de Pressão (ART2869)

Sensores de pressão do tipo semicondutor são utilizados numa ampla gama de aplicações que vão desde equipamento de consumo, até equipamento médico, aeroespacial e para a industria. Em outro artigo dessa mesma revista fizemos uma análise do funcionamento de diversos tipos de sensores, de uma forma mais simples, dando algumas aplicações. Voltamos agora com o mesmo assunto, mas focalizando especificamente os sensores do tipo semicondutor, usados na medida de pressão absoluta.

Nos casos mais comuns, a pressão é medida tendo por referência a pressão atmosférica normal, que é a que corresponde a atmosfera que nos cerca. Essa pressão é denominada relativa, ou se usarmos o termoinglês, ¨gage¨.

No entanto, em muitas aplicações é importante que a pressão de um determinado ambiente seja medida em relação ao vácuo. Nesse caso, o que temos é a medida absoluta da pressão.

Como na prática, no ambiente em que vivemos, é impossível obter o vácuo perfeito, a calibração de qualquer tipo de equipamento ou sensor que precise medir pressão absoluta, é um problema sério a ser considerado.

Veja que os equipamentos que “produzem” vácuo, se baseiam na retirada do ar de um ambiente através de um pistão, conforme mostra a figura 1.

 

Supondo que a cada movimento do pistão ele retire ar em quantidade igual a do ambiente a ser levado ao vácuo, teremos a redução da pressão à metade cada vez que isso ocorrer.

Assim, por mais que esvaziemos o ambiente, a pressão será sermpre metade da anterior e com isso nunca chegará a zero. Teremos uma progressão em que a pressão final P, será em relação à pressão Po inicial dada por:

P = ½ x ½ x ½ x ............. ½ Po

Onde o número de fatores ½ corresponde ao número de vezes que o pistão se movimenta.

Como Funciona

Podemos entender melhor como funciona um medidor de pressão absoluta se partirmos do funcionamento de um medidor de pressão relativa.

A pressão diferencial é medida em relação à dois ambientes, conforme mostra a figura 2.

 

Essa pressão pode ser expressa em libras por polegada quadrada ou então em kg por centímetros quadrados. Quando um dos ambientes tomado como referência é o ambiente, então temos uma pressão relativa ao ambiente ou à atmosfera normal, ou “gage” .

No caso da pressão absoluta, o ambiente tomado como referência é o vácuo. Esse tipo de medida normalmente é usado em barômetros ou altímetros. Para essas medidas é preciso ter uma referência fixa e não simplesmente o ar ambiente. Isso ocorre, porque a pressão ambiente muda constantemente.

Assim, definimos a pressão absoluta como aquela medida em relação ao vácuo perfeito e as unidades usadas são as da tabela abaixo, em que também temos os fatores de conversão.

Sensores Semicondutores

Na figura 3 temos então um sensor de pressão semicondutor visto em corte.

 

Conforme podemos observar, nesse sensor existe uma cavidade selada em que é feito o vácuo. A pressão nessa cavidade serve, portanto de referência para o sensor.

É claro que na prática, conforme explicamos, é impossível obter um vácuo perfeito. Assim, os fabricantes desses sensores esmeram-se no sentido de se obter uma pressão de referência que seja a mais próxima possível de zero.

A SensorTechnics (www.sensortechynics) , por exemplo, consegue um “vácuo” com apenas 0,0005 psi ou 25 militorr, o que é um valor extremamente baixo que serve perfeitamente para as aplicações comuns, eliminando também eventuais problemas que podem ocorrer quando um gás vestigial que exista na cavidade muda de temperatura (conforme a lei de Boyle).

Ajustes

No entanto, mesmo havendo uma referência fixa, os circuitos com que operam esses sensores precisam de ajustes.

Esses sensores, como o mostrado na figura 3, operam na configuração em ponte de Wheatstone.

Aplicando-se uma tensão em suas extremidades, a tensão na saída deve ser ajustada para ser zero quando a pressão externa (medida) também for zero.

Na prática, mesmo com a pressão nula, temos uma tensão offset de saída que precisa ser compensada. Isso normalmente é feito através do próprio circuito usado na medição, com base em amplificadores operacionais.

Assim, na figura 4 temos um circuito amplificador para um sensor desse tipo que tem recursos de calibração.

 

Como na prática não é possível obter uma pressão nula para efeito de calibração, utiliza-se de um artifício que melhor pode ser entendido com base no gráfico da figura 5.

 

O que se faz é medir a pressão em dois pontos de valor conhecidos e, através de um gráfico extrapolar o comportamento do sensor na faixa desejada. Esse gráfico, pode ajudar a determinar o erro de offset e fazer sua compensação.

Conclusão

Sensores absolutos do tipo semicondutor são de grande utilidade em muitas aplicações e sua confiabilidade possibilita seu uso nos casos mais críticos.

No entanto, a utilização deve ser feita com cautela e conhecimento, principalmente se levarmos em conta as dificuldades de se fazer sua calibração.