Os transmissores de pressão podem utilizar vário tipos de sensores porém o mais comum entre os fabricados é medidor tipo capacitivo, como o próprio nome sugere seu princípio de funcionamento baseia-se em duas células acopladas aos diafragmas. Esse tipo de transmissor, o elemento sensor é um diafragma de metal flexível localizado equidistante entre duas superfícies metálicas estacionárias, compreendendo três placas para um par complementar de capacitores. Um fluido de enchimento eletricamente isolante (geralmente um composto de silicone líquido) que transfere o movimento dos diafragmas isolantes para o diafragma sensor esse fluido também funciona como um dielétrico eficaz para os dois capacitores:
O Este sensor normalmente utiliza três tipos de compostos fluidos para preenchimento conforme exigências do processo de medição, cada um conforme a faixa de temperatura que irá operar o processo em condições extremas.
- Óleo de silicone 200 Temp. Faixa -40 ～ 149 ℃
- Óleo de silicone modificado Temp. Faixa 15 ~ 315 ℃
- Óleo de fluorcarbono Temp. Faixa -45 ～ 205 ℃
Qualquer diferença de pressão na célula faz com que o diafragma flexione na direção da menor pressão. O diafragma sensor é um elemento de mola fabricado com precisão, o que significa que seu deslocamento é uma função previsível da força aplicada. A força aplicada neste caso só pode ser uma função da pressão diferencial atuando contra a área de superfície do diafragma, de acordo com a equação padrão de força-pressão-área F = PA.
Nesse caso, temos duas forças causadas por duas pressões de fluido trabalhando uma contra a outra; portanto, nossa equação força-pressão-área pode ser reescrita para descrever a força resultante em função da pressão diferencial (P1 – P2) e da área do diafragma: F = (P1 – P2) X A . Como a área do diafragma é constante e a força está previsivelmente relacionada ao deslocamento do diafragma, tudo o que precisamos agora para inferir a pressão diferencial é medir com precisão o deslocamento do diafragma.
A função secundária do diafragma como uma placa de dois capacitores fornece um método conveniente para medir o deslocamento. Como a capacitância entre os condutores é inversamente proporcional à distância que os separa, a capacitância no lado de baixa pressão aumentará enquanto a capacitância no lado de alta pressão diminuirá:
Um circuito eletrônico detecta a capacitância do elemento sensor quem em última análise é um capacitor. Esse circuito usa o sinal de excitação CA de alta frequência para medir a capacitância diferente entre as duas placas (C1 e C2), traduzindo-o em um sinal DC que, finalmente, se torna o sinal de saída do instrumento que representa a pressão.
Esses sensores de pressão são altamente precisos, estáveis e robustos. Uma característica interessante de seu projeto é o uso de dois diafragmas de isolamento para transferir a pressão do fluido do processo para um único diafragma central que é um sensor através de um “fluido de enchimento” interno, a estrutura sólida limita o movimento dos dois diafragmas de isolamento, para que nenhum deles seja capaz de forçar o diafragma sensor ultrapassa seu limite elástico.
Como mostra a ilustração, o diafragma de isolamento de alta pressão é empurrado em direção à estrutura metálica, transferindo seu movimento para o diafragma sensor através do fluido de enchimento. Se muita pressão for aplicada nesse lado, o diafragma de isolamento simplesmente “achatará” contra a estrutura sólida da cápsula e parará de se mover. Isso limita positivamente o movimento do diafragma de isolamento para que ele não possa exercer mais força no diafragma sensor, mesmo se for aplicada pressão adicional no fluido do processo. Esse uso de diafragmas de isolamento e fluido de enchimento para transferir movimento para o diafragma sensor, empregado também em outros estilos de sensor de pressão diferencial, oferece aos modernos instrumentos de pressão diferencial excelente resistência a danos por excesso de pressão.
Deve-se notar que o uso de um fluido de enchimento líquido é essencial para esse projeto resistente à sobre pressão. Para que o diafragma sensor traduza com precisão a pressão aplicada em uma capacitância proporcional, ele não deve entrar em contato com a estrutura metálica condutora que o cerca. Para que qualquer diafragma seja protegido contra sobre pressão, no entanto, ele deve entrar em contato com um batente sólido para limitar o deslocamento adicional. Assim, a necessidade de não contato (capacitância) e de contato (proteção contra sobre pressão) é mutuamente exclusiva, tornando quase impossível executar as duas funções com um único diafragma sensor.
Um exemplo clássico de um instrumento de pressão baseado no sensor de capacitância diferencial é o transmissor de pressão diferencial de capacitância modelo 1151 da Rosemount, mostrado na forma montada na seguinte fotografia:
Ao remover quatro parafusos do transmissor, podemos remover dois flanges da cápsula de pressão, expondo os diafragmas de isolamento à vista simples:
A figura foto abaixo mostra a construção de um dos diafragmas de isolamento, que, diferentemente do diafragma sensor, é projetado para ser muito flexível. As ondulações concêntricas no metal do diafragma permitem que ele se flexione facilmente com a pressão aplicada, transmitindo a pressão do fluido do processo através do fluido de enchimento de silicone para o diafragma esticado dentro da célula de capacitância diferencial:
O interior do mesmo sensor de capacitância diferencial (revelado ao cortar um sensor modelo 1151 da Rosemount ao meio com uma serra cortada) mostra os diafragmas de isolamento, o diafragma sensor e as portas que os conectam:
Aqui, o diafragma de externo de isolamento do lado esquerdo é mais claro do que o diafragma de isolamento do lado direito. Uma característica claramente evidente nesta fotografia é a pequena folga entre o diafragma de isolamento do lado esquerdo e a estrutura metálica interna, versus a câmara espaçosa na qual o diafragma sensor reside.
Lembre-se de que esses espaços internos são normalmente ocupados por fluido de enchimento, cujo objetivo é transferir a pressão dos diafragmas de isolamento para o diafragma sensor. Como mencionado anteriormente, a estrutura de metal sólida limita o deslocamento de cada diafragma de isolamento de forma que o diafragma de isolamento de pressão mais alta “se afunde” na estrutura de metal antes que o diafragma sensor possa ser empurrado para além do seu limite elástico. Dessa forma, o diafragma sensor é protegido contra danos causados por sobrepressão, porque os diafragmas isolantes simplesmente não podem se mover mais.
O transmissor de pressão diferencial de capacitância mede inerentemente as diferenças de pressão aplicadas entre seus dois lados. De acordo com essa funcionalidade, este instrumento de pressão possui duas entradas rosqueadas nas quais a pressão do fluido pode ser aplicada. Todo o circuito eletrônico necessário para converter a capacitância diferencial do sensor em um sinal eletrônico representando pressão está alojado cápsula e dos flanges. Uma realização mais moderna do princípio de detecção de pressão de capacitância diferencial é o transmissor de pressão diferencial de capacitância modelo 3051 da Rosemount:
Como é o caso da maioria dos transmissores de pressão diferencial de capacitância, este instrumento possui duas entradas pelas quais a pressão do fluido pode ser aplicada ao sensor. O sensor, por sua vez, responde apenas à diferença de pressão entre as portas.
A construção do sensor de capacitância diferencial é mais complexa neste instrumento de pressão específico, com o plano do diafragma sensor perpendicular ao plano dos dois diafragmas isolantes. Esse design “coplanar” é mais compacto que o estilo antigo do sensor e, mais importante, isola o diafragma sensor do estresse do parafuso da flange.
Observe especialmente como o conjunto do sensor não está incorporado na estrutura de metal sólido, como foi o caso do projeto original da Rosemount. Em vez disso, o conjunto do sensor é relativamente isolado da estrutura, conectado apenas por dois tubos capilares que os unem aos diafragmas de isolamento. Dessa forma, as tensões dentro da estrutura metálica fornecidas pelos parafusos do flange praticamente não têm efeito no sensor.
Um modelo em corte de um transmissor de pressão diferencial de capacitância Rosemount modelo 3051S (“supermodule”) mostra como tudo isso se parece na vida real:
A pressão do fluido de processo aplicada ao (s) diafragma (s) isolante (s) é transferida para encher o fluido dentro dos tubos capilares, transportando pressão para o diafragma esticado dentro do sensor de capacitância diferencial. Assim como o design clássico do modelo 1151 da Rosemount, vemos o fluido de preenchimento executando várias funções:
- O fluido de enchimento protege o diafragma sensível delicado do contato com fluidos de processo impuros ou corrosivos
- O fluido de enchimento permite que os diafragmas isolantes forneçam proteção contra sobrepressão para o diafragma sensor
- O fluido de enchimento fornece um meio de permissividade constante para o circuito de capacitância diferencial funcionar
A série “supermodule” de transmissores de pressão diferencial de capacitância Rosemount compartilha o mesmo projeto coplanar dos modelos 3051 anteriores, mas adiciona um novo recurso de design: inclusão dos componentes eletrônicos no módulo de aço inoxidável, em vez do alojamento superior pintado de azul. Esse recurso permite que o tamanho do transmissor seja reduzido significativamente, se necessário, para aplicativos com espaço limitado.
O transmissor de pressão diferencial de capacitância EST4300 possui a mesma função que a Rosemount 3051. Descubra detalhes da série EST4300, clique nos links abaixo.