Sensor de pressão manométrica versus sensores de pressão absoluta e diferencial: um guia técnico para automação industrial e controle de processos

Um sensor de pressão manométrica (também chamado de sensor de pressão relativa) é um dispositivo que mede a pressão relativa à pressão atmosférica ambiente. O sensor possui uma porta de referência ventilada que está aberta à atmosfera circundante. O elemento sensor mede a diferença entre a pressão do processo aplicada a um lado do diafragma e a pressão atmosférica aplicada ao outro lado. Quando a pressão do processo é igual à pressão atmosférica, a saída do sensor é zero (0 psi, 0 bar ou 0 kPa). Quando a pressão do processo é superior à atmosférica (pressão positiva), a saída é positiva. Quando a pressão do processo é inferior à atmosférica (vácuo ou pressão negativa), a saída é negativa. O elemento sensor é normalmente um diafragma microusinado de silício piezoresistivo (MEMS) ou um extensômetro de filme fino em um diafragma de metal. À medida que a pressão deforma o diafragma, a resistência dos piezoresistores muda, produzindo uma saída elétrica proporcional à pressão aplicada. O sinal de saída normalmente é amplificado para níveis industriais padrão: corrente de loop de 4-20 mA, 0-5 VCC, 0-10 VCC ou saídas digitais (I2C, SPI, barramento CAN). Sensores de pressão manométrica são usados ​​em milhares de aplicações: monitoramento de pressão de sistemas hidráulicos, sistemas de ar comprimido, redes de distribuição de água, controle de bombas, medição de nível de tanques (medindo pressão hidrostática) e controles pneumáticos. Para especificações técnicas detalhadas, os profissionais de sourcing podem consultar sensores de pressão manométrica páginas de produtos para folhas de dados de materiais e relatórios de teste.

A diferença fundamental entre sensores de pressão manométrica, absoluta e diferencial está na pressão de referência usada para medição. Os sensores de pressão manométrica usam a pressão atmosférica como referência. O sensor possui um invólucro ventilado ou uma porta de referência aberta ao ar. A saída é zero à pressão atmosférica. Os sensores manométricos são adequados para a maioria dos processos industriais porque os operadores se preocupam com a pressão relativa ao ambiente (por exemplo, 100 psi acima da atmosfera). Os sensores de pressão absoluta usam uma câmara de referência de vácuo selada (vácuo perfeito, 0 psi absoluto) como referência. O sensor não é ventilado para a atmosfera. A saída é zero apenas em um vácuo perfeito. Sensores absolutos são usados ​​para medição de pressão barométrica, detecção de altitude e aplicações onde variações de pressão atmosférica afetariam a medição (por exemplo, teste de vazamento de recipientes selados, controle de pressão de forno a vácuo). Sensores de pressão diferencial medem a diferença entre duas pressões de processo (P1 - P2). Nenhuma das portas é ventilada para a atmosfera. Sensores diferenciais são usados ​​para medição de vazão (usando placas de orifício), monitoramento de filtros (queda de pressão através de um filtro) e medição de nível de líquido em tanques fechados (diferença entre a pressão inferior e a pressão de vapor superior). A escolha depende da aplicação. Para um tanque ventilado, o medidor está correto. Para um tanque selado com pressão atmosférica variável, pode ser necessário um diferencial. Para medição de altitude, é necessário valor absoluto. A tabela abaixo resume as principais diferenças.

Os modernos sensores de pressão manométrica usam a tecnologia MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems), que integra estruturas mecânicas microscópicas com circuitos eletrônicos em um único chip de silício. O núcleo do sensor de pressão MEMS é um diafragma de silício microusinado, normalmente de 5 a 50 micrômetros de espessura, fabricado usando processos de fotolitografia e gravação. Piezoresistores (regiões de silício dopadas que alteram a resistência quando tensionadas) são difundidas no diafragma em locais de alta tensão (bordas e centro). Quando a pressão é aplicada, o diafragma desvia, causando tensão nos piezoresistores. A mudança de resistência é proporcional à pressão aplicada. Os quatro piezoresistores são conectados em uma configuração de ponte de Wheatstone, que converte alterações de resistência em um sinal de tensão diferencial. O sinal de tensão é amplificado, linearizado, compensado por temperatura e convertido para o formato de saída desejado (4-20 mA, tensão ou digital) por um ASIC (Circuito Integrado de Aplicação Específica) ou circuito de condicionamento de sinal. O chip MEMS é montado em um substrato (cerâmica, PCB ou metal), ligado por fio e protegido com revestimento de gel ou diafragma de isolamento de aço inoxidável para compatibilidade de mídia. A referência do medidor é obtida ventilando a parte traseira do chip MEMS (ou a parte traseira do diafragma de isolamento) para a atmosfera através de um orifício de ventilação na caixa do sensor. A tecnologia MEMS oferece diversas vantagens: tamanho muito pequeno (chip tão pequeno quanto 1 mm x 1 mm), alta sensibilidade (faixa de microvolts por pascal), baixo consumo de energia (miliwatts), excelente repetibilidade e baixo custo em grandes volumes. Para ambientes industriais agressivos (fluidos corrosivos, alta temperatura), o chip MEMS pode ser isolado do meio por um diafragma de aço inoxidável e preenchido com óleo de silicone (sensor de pressão manométrica preenchido com óleo).

Os sensores de pressão manométrica estão disponíveis em uma ampla variedade de faixas de pressão para atender a diferentes aplicações industriais. Faixas de baixa pressão (0-1 psi a 0-15 psi, 0-0,07 bar a 0-1 bar) são usadas para monitoramento de pressão de ar HVAC, pressão diferencial de sala limpa e sistemas pneumáticos de baixa pressão. Faixas de pressão média (0-50 psi a 0-500 psi, 0-3,5 bar a 0-35 bar) são usadas para hidráulica industrial geral, distribuição de água, pressão de descarga de bomba e controle de processo. Faixas de alta pressão (0-1.000 psi a 0-10.000 psi, 0-70 bar a 0-700 bar) são usadas para equipamentos hidráulicos pesados, máquinas de moldagem por injeção, prensas hidráulicas e corte por jato de água de alta pressão. As faixas de vácuo ou composto (-14,7 psi a 0 psi, -1 bar a 0 bar) medem a pressão negativa (vácuo) para monitoramento de sucção, embalagem a vácuo e aplicações de laboratório. As faixas de compostos (-14,7 a 30 psi, -1 a 2 bar) medem vácuo e pressão positiva. Os sinais de saída são padronizados para compatibilidade industrial. Saídas analógicas: corrente de loop de 4-20 mA (mais comum para controle industrial, cabos longos, imunidade a ruído), 0-5 VCC, 0-10 VCC (comum para PLCs e aquisição de dados) e 1-5 VCC. Saídas digitais: I2C e SPI (para sistemas embarcados e dispositivos IoT), RS-485 Modbus (para redes industriais) e CAN bus (para equipamentos automotivos e pesados). A tensão de excitação é normalmente de 5 VCC ou 9-30 VCC (para sensores de 4-20 mA alimentados por loop).

A precisão é a especificação mais crítica para um sensor de pressão manométrica. Normalmente é expresso como uma porcentagem da escala completa (%FS). Sensores de pressão manométrica de nível industrial alcançam precisão de ±0,5% FS, ±0,25% FS ou ±0,1% FS. Sensores de alta precisão para aplicações de laboratório ou calibração atingem ±0,05% FS ou melhor. A precisão inclui várias fontes de erro: linearidade (desvio da saída de uma linha reta ao longo da faixa de pressão), histerese (diferença na saída ao aumentar a pressão versus diminuir a pressão), repetibilidade (capacidade de produzir a mesma saída para a mesma pressão sob condições idênticas) e efeitos de temperatura (deslocamento de zero e deslocamento de amplitude com temperatura). Para um sensor FS de ±0,5%, a faixa de erro total (incluindo linearidade, histerese, repetibilidade e efeitos de temperatura na faixa de temperatura compensada) está dentro de ±0,5% da leitura da escala completa. Por exemplo, um sensor de 0-100 psi com precisão de ±0,5% FS tem um erro máximo de ±0,5 psi em qualquer ponto. A compensação de temperatura é essencial para medições precisas em diversas temperaturas operacionais. O sensor é calibrado em diversas temperaturas (normalmente -20°C, 25°C e 85°C) e os coeficientes de compensação são armazenados no ASIC ou microcontrolador do sensor. Durante a operação, o sensor mede a temperatura e aplica os fatores de correção à leitura da pressão. A faixa de temperatura compensada é normalmente de -20°C a 85°C para sensores industriais, ou de -40°C a 125°C para sensores automotivos e de faixa estendida. Fora da faixa compensada, a precisão diminui a uma taxa especificada (por exemplo, ±0,03% FS por °C).

Os materiais usados na construção do sensor de pressão manométrica determinam a compatibilidade química, a resistência à temperatura e a estabilidade a longo prazo. Material da porta de pressão: aço inoxidável (304, 316 ou 316L) é o mais comum para sensores industriais, proporcionando excelente resistência à corrosão para água, óleo, ar e produtos químicos suaves. Para meios altamente corrosivos (ácidos, cáusticos, água salgada), estão disponíveis portas Hastelloy C-276, Inconel ou titânio. Para aplicações alimentícias e farmacêuticas, é necessário aço inoxidável 316L com conexões sanitárias Tri-Clamp. Material do diafragma: para sensores de uso geral, o diafragma de aço inoxidável 316L (espessura 0,05-0,2 mm) oferece boa sensibilidade e durabilidade. Para sensores de baixa pressão (abaixo de 5 psi), o diafragma de cerâmica ou silicone (contato direto com o meio) oferece maior sensibilidade. Para aplicações de altíssima pureza (semicondutores, farmacêuticas), o diafragma pode ser feito de cerâmica de alumina ou silício, sem partes metálicas molhadas. Material do invólucro do sensor: Invólucros com classificação IP65/IP67/IP68 são necessários para aplicações de lavagem, externas ou submersíveis. As opções de carcaça incluem aço inoxidável (para ambientes corrosivos), alumínio (para uso industrial em geral) e policarbonato (para serviços internos leves). Materiais de vedação: O-rings (Viton, EPDM, NBR) ou juntas são usados ​​para vedar a porta de pressão e o alojamento. O material de vedação deve ser compatível com o fluido do processo. Viton (FKM) é adequado para a maioria dos óleos, combustíveis e produtos químicos; EPDM é adequado para água, vapor e fluidos de freio; NBR é adequado para óleos minerais e combustíveis. Para aplicações de alta temperatura (acima de 125°C / 260°F), podem ser necessárias vedações metálicas ou vedação vidro-metal.

Sensores de pressão manométrica são usados ​​em vários setores, com especificações variando de acordo com a aplicação. Para sistemas hidráulicos (prensas industriais, máquinas de moldagem por injeção, equipamentos de construção, empilhadeiras), um sensor de pressão manométrica de 0-5.000 psi a 0-10.000 psi com saída de 4-20 mA e classificação IP67 é padrão. O sensor deve suportar picos de pressão (2-3x a pressão nominal) e ter alta capacidade de sobrepressão. Para sistemas pneumáticos (monitoramento de ar comprimido, ferramentas pneumáticas, atuadores pneumáticos), é usado um sensor de manômetro de 0-150 psi ou 0-300 psi com saída de 0-10 VCC e tempo de resposta rápido (abaixo de 1 ms). Para medição de nível de líquido em tanques abertos (torres de água, reservatórios, tanques de produtos químicos, bacias de águas residuais), um sensor de pressão manométrica submersível mede a pressão hidrostática no fundo do tanque. A pressão é proporcional à altura do líquido: 1 psi ≈ 2,31 pés (0,7 metros) de água. Para uma medição de nível precisa, o sensor deve ser ventilado através do cabo (modelo de manômetro ventilado) para que as variações de pressão atmosférica sejam canceladas. Para monitoramento de vácuo (embalagens a vácuo, ventosas, sucção médica, câmaras de vácuo de laboratório), é necessário um sensor de pressão composto (-14,7 a 0 psi, -1 a 0 bar) para medir a pressão negativa em relação à atmosfera. O sensor deve ter alta resolução em baixas pressões (0,1% FS ou melhor). Para controle de bombas e monitoramento de poços (poços de água, bombas de irrigação, bombas de reforço), um sensor manométrico de 0-200 psi com saída de 4-20 mA e carcaça robusta de aço inoxidável é usado para monitorar a pressão de descarga da bomba e proteger contra condições de funcionamento a seco. A tabela abaixo corresponde às aplicações com especificações recomendadas.

Para fabricantes que exportam sensores de pressão manométrica, certificações documentadas de qualidade e conformidade são essenciais. Os padrões e certificações mais solicitados incluem: Marcação CE (Conformidade Europeia) sob a Diretiva EMC (2014/30/UE) e Diretiva RoHS (2011/65/UE), ISO 9001 (sistema de gestão de qualidade) e para aplicações em áreas perigosas, certificação ATEX (Europeia) ou IECEx (internacional) para segurança intrínseca (Ex ia) ou invólucro à prova de chamas (Ex d). Os testes de desempenho específicos incluem: teste de precisão (medição em 5-10 pontos de calibração em toda a faixa de pressão, para cima e para baixo, para verificar linearidade, histerese e repetibilidade), teste de compensação de temperatura (medição a -20°C, 25°C e 85°C ou faixa especificada para verificar mudança de zero e mudança de amplitude), teste de estabilidade de longo prazo (teste de desvio de 500-1000 horas na pressão nominal a 85°C para verificar se a saída não muda mais do que o especificado porcentagem por ano), teste de sobrepressão (aplicação de 1,5x a 3x a pressão nominal sem danos), teste de pressão de ruptura (teste destrutivo para verificar a margem de segurança), teste de segurança elétrica (resistência de isolamento, rigidez dielétrica) e teste EMC (emissões irradiadas e conduzidas de acordo com CISPR 11, imunidade de acordo com IEC 61000-4-2 a -6). Para sensores de pressão usados ​​em dispositivos médicos, é necessária a certificação ISO 13485. Para aplicações automotivas, é necessária a certificação IATF 16949. Para aplicações de água potável, a certificação NSF/ANSI 61 pode ser exigida para materiais em contato com água potável. Muitos grandes compradores industriais também exigem auditorias de fábrica que abranjam a ISO 9001 e rastreabilidade de calibração documentada de acordo com padrões internacionais (NIST, PTB ou outros institutos nacionais de metrologia). Os fabricantes que mantêm certificações atuais e registros de qualidade transparentes ganham uma vantagem competitiva no fornecimento internacional.