Explique o funcionamento de um transmissor de pressão que utiliza como elemento de detecção o sensor piezoelétrico.

Passo 1

Beleza, o enunciado pede pra gente explicar como funciona um transmissor de pressão que usa sensor piezoelétrico. O conteúdo aqui envolve Instrumentação e Medição de Processos, mais especificamente conversão de pressão em sinal elétrico. Para resolver isso a gente vai precisar entender:
  1. O que é efeito piezoelétrico;
  2. Como a pressão mecânica atua num cristal piezoelétrico;
  3. Como esse cristal gera um sinal elétrico;
  4. Como a eletrônica do transmissor condiciona esse sinal e envia pra fora (por exemplo 4–20 mA).

Passo 2

Vamos começar pela teoria do efeito piezoelétrico. Piezoelétrico vem de “piezo” (pressionar) + “elétrico”. Certos cristais, tipo quartzo ou cerâmicas especiais, quando você aplica uma força neles, geram uma carga elétrica nas suas faces. Essa relação pode ser escrita como
Q = d times F
onde:
  • D = d cdot T + varepsilon cdot E é a carga elétrica gerada (Coulombs),
  • é a força aplicada (Newtons),
  • é a constante piezoelétrica do material (C/N).
Ou, em termos de tensão e deformação, a equação mais completa é
mas não vamos nos afundar demais nisso; o ponto principal é: pressão → deformação → carga elétrica.

Passo 3

Agora, imagina o transmissor de pressão. Tem um diafragma metálico que, quando a gente aplica pressão do processo, se deforma. Esse diafragma empurra um cristal piezoelétrico que fica logo atrás dele. A sequência é:
  1. Pressão do fluido dobra levemente o diafragma;
  2. O diafragma comprime o cristal;
  3. O cristal gera uma carga proporcional a essa força.
Como o sinal de carga é bem pequeninho e sensível ao ruído, não dá pra só pegar “Q” e mandar pra um PLC direto. Aí vem a parte eletrônica do transmissor.

Passo 4

O transmissor precisa de um circuito chamado “amplificador de carga” ou “charge amplifier”. Ele faz duas coisas:
  1. Mantém o cristal sob uma tensão constante (pré–tensão), evitando drift térmico;
  2. Converte a carga Vout = QCf numa tensão estável, típicamente
onde é um capacitor de realimentação do amplificador. Dessa forma, é proporcional à carga e, consequentemente, à pressão.

Passo 5

Depois a gente tem um estágio de condicionamento digital (ou analógico) que:
  • Lineariza o sinal (caso o cristal ou o diafragma não sejam 100% lineares);
  • Compensa temperatura, porque piezo não curte calor;
  • Converte a tensão em uma saída padrão (4–20 mA, 0–10 V, HART etc.).
No caso do laço de corrente 4–20 mA, um conversor interno pega I = Imin + P - PminPmax-Pmin times (Imax-Imin) e gera uma corrente:
onde normalmente mA e mA.

Resposta

Um transmissor de pressão piezoelétrico funciona assim: a pressão do processo deforma um diafragma que comprime um cristal piezoelétrico, gerando uma carga . Um amplificador de carga converte essa numa tensão proporcional, estabiliza e compensa temperatura, e por fim a eletrônica do transmissor faz a linearização e gera a saída (por exemplo 4–20 mA) que representa a pressão medida.

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