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:
- O que é efeito piezoelétrico;
- Como a pressão mecânica atua num cristal piezoelétrico;
- Como esse cristal gera um sinal elétrico;
- 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
onde:
-
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:
- Pressão do fluido dobra levemente o diafragma;
- O diafragma comprime o cristal;
- 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:
- Mantém o cristal sob uma tensão constante (pré–tensão), evitando drift térmico;
- Converte a carga
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
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.