TP

TRANSDUTOR DE PRESSÃO TP DA HYTRONIC

INTRODUÇÃO:

A pressão é uma característica responsável por vários fenômenos na natureza que dão origem a muitas aplicações como, por exemplo, o vôo de um avião ou de um balão, a utilização da caixa d’água, a flutuação de um barco e muitos outros.

Usando como exemplo o escoamento da água numa secção transversal, quando a pressão não varia com o tempo, é aplicável o teorema de Bernoulli ("Se a velocidade de uma partícula de um fluido aumenta enquanto ela se escoa ao longo de uma linha de corrente, a pressão do fluido deve diminuir"), e o movimento é permanente [Baptista e Lara,2002].

O Transdutor apresentado nesse trabalho é o TP do fabricante nacional Hytronic. Este tem um elemento sensor que converte a pressão aplicada pelo fluido em sinal elétrico e este sinal elétrico é disponibilizado para leitura remota da pressão. É disponível versão para aplicação em diversos ambientes industriais. A seguir visualiza-se uma foto do transdutor em questão:

Figura 1 – Foto do transdutor TP da Hytronic

No transdutor utilizado, em seu centro, existe uma célula de medição que consiste de uma pastilha com um fino diafragma de silício, no qual caminhos resistivos são formados pela implantação iônica para transferir o nível exato de força para a ponte de Wheatstone [Werneck,1996], como visto na Figura 2 [Burr-Brown,1998].

A ponte de Wheatstone é formada por 4 resistências, verificadas entre os pontos 3-8, 3-1, 1-4 e 4-8 no esquema da Figura 2. Entre os pontos 1 e 8 é aplicado uma tensão de alimentação e entre os pontos 3 e 4 ocorre uma variação da tensão conforme há mudança nas resistências que constituem o sensor. Quando o sistema encontra-se em repouso (a pressão que está sendo medida pelo sensor é zero), não há variação nas resistências, assim, todas elas possuem valores iguais e não há variação de tensão entre os pontos 3 e 4.

Quando é aplicada uma pressão, a deflexão do diafragma (sensor) leva a mudanças nas resistências implantadas de acordo com o efeito piezoresistivo (variação da resistência elétrica em função da força aplicada), ocorrendo assim uma mudança de condutividade. Esforços de compressão e dilatação no cristal semicondutor são usadas para produzir mudanças na resistência dos piezoelétricos conectados como um circuito ponte (Figura 2), desta forma, variando a tensão de saída da ponte de acordo com a sensibilidade especificada no transdutor (adaptado de [Zaro,2000]).

Figura 2 - Circuito em ponte interno ao transdutor e nomenclatura dos fios

O transdutor usado no projeto, mostrado na Figura 1, é um transdutor industrial, fabricado em um encapsulamento resistente a explosões externas, altas e baixas temperaturas e com material que faz contato com o fluido em aço inoxidável. Existem vários modelos de transdutor de pressão, como transdutores com tomada de pressão diferencial e também modelos mais frágeis para trabalhar com pouca pressão e serem utilizados em circuitos de instrumentação que não ficam em contato com o meio industrial, como equipamentos médicos, por exemplo. Este transdutor de pressão vem calibrado de fábrica, mas dependendo da necessidade, pode ser ajustado através de trimpots (resistores variáveis regulados por um parafuso multivoltas) internos para o acerto dos valores de zero e de span (extensão – valor máximo) [Hytronic,1996].

Ajustes:

Acesso: Desatarraxe a base do conector do corpo para ter acesso aos trimpots de ajuste. Esta operação deve ser feita com cuidado para não danificar ou romper nenhum dos cabos de ligação.

Ajuste do ZERO:

Assegure-se que a pressão no pórtico de entrada de pressão é zero. Para ajustar o zero utilize uma chave de fenda de 3 mm e atue no trimpot do lado esquerdo (ver figura) de forma a obter o zero. Girando o trimpot no sentido horário aumenta-se o valor de saída. Girando o trimpot no sentido anti-horário diminui-se o valor da saída.

Figura 3 - vista do transdutor acessível aos ajustes

Ajuste do SPAN

Mantenha a pressão no pórtico de entrada de pressão no valor de fundo de escala com garantia de precisão de pelo menos ± 0,05% (TP). Para ajustar o span utilize uma chave de fenda de 3 mm e atue no trimpot do lado direito (como indicado na figura) de forma a obter leitura de saída correspondente ao fundo de escala. Girando o trimpot no sentido horário aumenta-se o valor do span. Girando o trimpot no sentido anti-horário diminui-se o valor do span. Acertado o span verifique novamente o valor de zero, e ajustando-o se necessário.

Obs.: Repita os passos 1 e 2 até obter valores de zero e span corretos.

 

ESPECIFICAÇÕES

Características:

Invólucros industriais robustos (NEMA 4).

Faixas de pressão: 0...100 mbar até 0...1000 bar.

Sinal de saída: 2,0 mV / V (HTP): 10 mV / V (TP).

Temperatura do fluido: -20...120 ºC (strain gage), -40...135 ºC (piezo).

Conexão elétrica: conector, ou prensa-cabos com 1 m de cabo.

Conexão de pressão: ¼" BSP ou NPT, ¾” BSP rasante (para fluidos com alta concentração de sólidos).

Acessórios: flanges, selos químicos ou sanitários

Características Técnicas:

Tipo de sensor: Piezoresistivo (pressões relativas ou absolutas).

Faixas de pressão:

0...0,1; 0...1,6; 0...2,5; 0...4; 0...6; 0...10; 0...16; 0...25; 0...40; 0...60; 0...100; 0...160; 0...250; 0...400; 0...600; 0...1000 bar

Sobrepressão admissível: 2 x FE ou 1500 bar (o que for menor).

Material em contato com o fluido: Aço inoxidável AISI 316.

Temperatura de operação: 0...70 ºC (opcional -25...85 ºC).

Repetibilidade+Histerese+Linearidade: ± 0,25% FE.

Exatidão: +/- 0,75% F.S.

Sinal de Saída: 10 mV/V (valor referência).

Alimentação: 10 Vcc (máximo 15 Vcc).

Resistência da ponte: 12700 (valor aproximado).

Efeito da temperatura no zero: FE>10 bar (máx 0,01% FE/ºC). FE<10 bar (máx 0,03% FE/ºC).

Efeito da temperatura no span: Máximo 0,015% FE/ºC.

Conexão ao processo: ¼" BSP ou NPT, ou rasante ¾" BSP.

Conexão elétrica: Conector ou prensa-cabos PG7 (grau de proteção IP54) com 1 m de cabo.

Temperatura compensada: 0...70 ºC (opcional -25...85 ºC).

Vida mecânica: 40 x 10 ciclos

Tempo de resposta: 2 ms.

Choque mecânico: max 30 g.

Fonte: Datasheet do transdutor TP

 

Dimensões:

Figura 4 - Dimensões externas do TP

APLICAÇÕES:

Um exemplo muito completo é o trabalho cujo objetivo é medir a pressão da água em um cano que interliga uma caixa d’água a um registro, assim como a pressão do choque hidráulico que ocorre quando o registro é aberto ou fechado (golpe de aríete - problema clássico da hidráulica), como mostrado na figura 5:

Figura 5 – Ilustração da instalação do sistema (Fonte:Sistema de Aquisição de Medidas de Pressão para Visualização e Processamento no Computador)

O projeto consiste em coletar e interpretar o sinal que provém de dois transdutores de pressão instalados em pontos determinados perto das extremidades de um cano que interliga uma caixa d’água a um registro, distantes entre si 12 metros, como mostrado na Figura 5. Assim, converter os sinais gerados pelos transdutores em informações compreensíveis de unidade de pressão através de um circuito eletrônico ligado aos sensores e à porta paralela do computador, o qual mostra graficamente em sua tela o comportamento da pressão ao longo do tempo através de um software instalado permitindo a visualização da série histórica.

Golpe de aríete é a variação brusca de pressão, acima ou abaixo do valor normal de funcionamento, devido às mudanças bruscas da velocidade da água. As manobras instantâneas nas válvulas são as causas principais da ocorrência de golpe de aríete. O golpe de aríete provoca ruídos desagradáveis, semelhantes ao de marteladas em metal. Pode romper as tubulações e danificar instalações hidráulicas.

O sistema ao qual refere-se esta aplicação fará apenas a aquisição das medidas de pressão ao longo do tempo, toda a análise em cima do problema apresentado neste tópico que será feita a partir dos valores de pressão recebidos pelo sistema.

Os sensores de pressão são transdutores que convertem a grandeza física pressão em sinal elétrico proporcional [Hoffmann e Neto,2000]. Neste projeto este sinal será tratado por um circuito eletrônico e processado posteriormente pelo software no computador.

A variação de tensão entre os pontos 3 e 4 (Figura 2) é interpretada posteriormente como informação de variação de pressão pelo sistema de aquisição, cujo projeto está sendo apresentado neste trabalho.

A idéia do projeto consiste em um sistema de aquisição de medida de pressão, que converte os sinais provenientes dos transdutores de 1 Bar e 2,5 Bar (os dois ao mesmo tempo) em informação numérica de pressão, a ser visualizada no computador graficamente.

Este sistema é composto por um circuito eletrônico que faz a aquisição do sinal, amplifica e transforma este em um sinal digital para enviar a um computador que receberá o sinal através de sua porta de comunicação paralela. A seqüência de bits correspondente ao sinal é decodificada por um software que mostra continuamente no tempo um gráfico apresentando os valores de pressão. O software também pode gravar os dados recebidos em um arquivo de log para posterior análise.

Uma visão geral do sistema é mostrada na Figura 6, onde se percebe claramente os quatro estágios: aquisição, amplificação do sinal analógico, conversão A/D e software de visualização gráfica.

Figura 6 – Visão geral do sistema

O hardware do sistema (parte externa ao computador) é composto basicamente da entrada de sinal dos transdutores de pressão, um estágio de amplificação e um conversor analógico/digital. Depois vem a comunicação com o computador através de um cabo conectado à porta paralela e por último o software de monitoramento e gerenciamento.

A aquisição do sinal é feita pelos dois transdutores (1 Bar e 2,5 Bar) simultaneamente. Cada transdutor fica em uma extremidade da tubulação onde passa água, sendo este, portanto, o material em contato com o sensor.

Amplificação do Sinal

Tendo em vista que o sinal elétrico proveniente dos sensores é da escala de mili-volts e diferencial (não possui aterramento), para tratar estes sinais, é necessário que eles sejam aplicados a um amplificador de instrumentação [Burr-Brown,1998], que fornece um alto ganho para o sinal diferencial de entrada obtendo um sinal de saída adequado para a análise. Este ganho pode ser regulado variando o valor da resistência entre os terminais de controle de ganho deste componente e é ajustado durante a montagem do sistema. O circuito deste estágio é mostrado na Figura 7, onde percebe-se que o coração do circuito é o amplificador INA121. Como um amplificador de instrumentação necessita de tensões positiva e negativa para funcionar, houve a necessidade de construir uma fonte que forneça as tensões de alimentação para os circuitos eletrônicos.

Figura 7 - Circuito de amplificação do sinal

Conversão A/D

Como se deseja processar os sinais dos transdutores em um computador, deve-se então transformá-los para o formato digital, utilizando, portanto, um conversor analógico-digital. O conversor A/D utilizado é o ADC0808 [National,1995] que faz a conversão de um sinal analógico para um sinal digital de oito bits e que é enviado para a porta de comunicação paralela do computador para tratamento pelo software. O sinal é recebido ao mesmo tempo dos dois transdutores de pressão e são utilizadas duas entradas analógicas deste onversor, que possui oito entradas analógicas. Para poder receber os sinais dos dois transdutores no software, é feito, através do software com ativação pela porta paralela, um endereçamento, em um momento lendo o endereço do conversor A/D referente ao primeiro transdutor (1 Bar) e em seguida lendo o endereço referente ao segundo transdutor (2,5 Bar); só que de forma muito rápida (0,002 segundos por amostra, configuração esta, feita durante a implementação do software), ficando imperceptível na forma de onda mostrada pelo gráfico no software, ou seja, a forma de onda do sinal que está sendo medido a 500 amostras por segundo ficará contínua sem interrupções para a percepção do olho humano que percebe apenas mudanças de no máximo 30 amostras por segundo. Para o funcionamento do conversor A/D foi necessária a implementação de um circuito de clock externo composto por duas portas inversoras em paralelo com o cristal oscilador para permitir a geração de um clock de 2MHz, que está dentro das especificações de funcionamento do conversor A/D.

A idéia é medir também pressões negativas, mas o conversor A/D não converte tensões de entrada negativas, que seriam geradas pela variação negativa de pressão. Então foi feito um deslocamento do sinal de referência (terra) para 2,5V, visto que o conversor A/D utilizado trabalha na faixa de 0V a 5V, ficando, desta forma na metade da escala. Isto foi feito utilizando um amplificador operacional LM741 [National,2000] em configuração “somador” com ganho unitário, visto na Figura 8. Assim o valor máximo de pressão positiva corresponderá em tensão a 5V e o valor máximo de pressão negativa corresponderá a 0V. O circuito do conversor A/D junto com o circuito de geração de clock é mostrado na Figura 9, onde destaca-se o ADC0808, que é o componente central deste circuito de conversão dos sinais de analógico para digital.

Figura 8 - Circuito somador de tensão

Figura 9 – Conversor A/D

O circuito pode ser usado também em outras aplicações que necessitem da medida de pressões absolutas ou relativas em gases ou líquidos como:

· Bombas e Compressores

· Dispositivos Hidráulicos e Pneumáticos

· Agricultura e Equipamentos de Construção

· Transporte e Veículos

· Controle de Motores

· Manutenção Alternativa de Energia

· Manutenção de Carga

· Controle de Processos e Automação

CONCLUSÃO

Sistemas como este apresentado na parte de aplicações, existentes no mercado, possuem um custo muito alto e é um segmento que não possui representantes nacionais. Este projeto, do contrário, é de baixo custo devido ao preço acessível do transdutor, de 126 dólares cada (muito viável se comparado a outros que podem chegar a 500 dólares) e apresenta os resultados conforme o especificado para a aplicação, provando que é viável a geração de novos produtos, como este, para atender o mercado nacional e até mesmo ser exportado para outros centros consumidores. Por suas pequenas dimensões e também uma boa faixa de operação para variações de temperatura (que garante sua exatidão), o TP se torna uma opção muito versátil.

Vantagens do Transdutor TP da Hytronic:

Montagem compacta e robusta em aço inoxidável.

Alta confiabilidade.

Baixo tempo de resposta.

Fabricação nacional.

Versatilidade

GARANTIA:

Todos os produtos HYTRONIC são fabricados seguindo os mais atuais conceitos de qualidade. Todo produto HYTRONIC tem garantia de 1 (um) ano a partir da data da nota fiscal.

REFERÊNCIAS:

1.

Hytronic - Fabricante do transdutor TP. Acessado dia 07/06/2006

2.

[Piezoeletricidade|http://www.geocities.com/castanhola2000/piezoeletr.htm] - informações sobre a piezoeletricidade, princípio que rege o sensor do transdutor em questão. Acessado dia 07/06/2006

3.

[Conceito de pressão|http://www.feiradeciencias.com.br/sala07/07_01.asp] - Conceitos sobre Pressão, grandeza captada pelo transdutor TP. Acessado dia 07/06/2006
Autor: Prof. Luiz Ferraz Netto.

4.

Trabalho de iniciação científica - Engenharia da computação do UnicenP
Projeto de Iniciação Científica do curso de Engenharia da Computação desenvolvido pelos alunos Ederson Cichaczewski e Eduardo de Mattos Schroeder sob orientação do Prof. Edson Pedro Ferlin: Aplicação para o transdutor em questão. Acessado em 07/06/2006