Sensor de Pressão via célula Capacitiva

1. Sensor de Pressão via célula Capacitiva Disciplina: Instrumentação eletrônica 2008.2 Professor: Luciano Fontes Aluno: Abrahão da Silva Fontes 200621246

2. Sensor de Pressão via Célula Capacitiva • Sumário • Objetivo • Conceitos • Esquemático • Projeto • Conclusão • Referências

3. Sensor de Pressão via Célula Capacitiva • Objetivo • Através da necessidade de se medir a pressão de reservatórios de líquidos para o controle de nível foi desenvolvido sensores capacitivos. O intuito deste trabalho é desenvolver um instrumento eletrônico capaz de medir a pressão de nível destes reservatórios via uma célula capacitiva.

4. Sensor de Pressão via Célula Capacitiva • Conceitos Mas o que é um controle de nível? Controle de nível é a manipulação de algumas variáveis de um sistema,como fluxo de entrada e saída, para que seja mantido o nível de um reservatório.

5. Sensor de Pressão via Célula Capacitiva • Conceitos Muitos são os sensores baseados em células capacitivas usados na indústria. Um deles está ilustrado abaixo, o sensor LD301 da Smar. Percebe-se nele a utilização da diferença de pressão,onde um lado recebe a pressão atmosférica e a outra recebe a pressão do nível, por um fio conduzindo a água no ponto onde se localiza a maior pressão do reservatório.

6. Sensor de Pressão via Célula Capacitiva • Esquemático Grandeza Física Sensor e Transdutor Conformador Interface Homem Máquina Processamento do Sinal Pressão Célula Capacitiva Pic 18F877 Monitor Computador

7. Sensor de Pressão via Célula Capacitiva • Projeto • O sensor de pressão via célula capacitiva funciona a partir da comparação entre duas pressões, isto é, de forma diferencial. Assim a pressão referência é a atmosférica, e a pressão exercida na célula possui um diafragma fixo que serve como referência para as variações entre as placas paralelas da capacitância. P1 é a pressão atmosférica P2 é a pressão exercida

8. Sensor de Pressão via Célula Capacitiva • Pf é a pressão exercida pelo líquido em uma célula capacitiva • Cf é a nova capacitância sofrendo a pressão Pf • d é a distância entre as placas quando a célula está sofrendo apenas a pressão atmosférica • ∆d é a variação sofrida pelas placas paralelas devido a pressão Pf • Cr é a capacitância de referência • Sabendo que C=єA/d, tem-se que: Cr=єA/d e Cf= єA/(d-∆d) • Sabendo que a energia armazenada em uma capacitância é dada por Ec=0,5CV2 • Sabendo que ∆P=F/A ,que W=F∆d e que a variação da energia armazenada nas placas paralelas é dada por ∆Ec=Ecf-Eci, tem-se que :

9. Sensor de Pressão via Célula Capacitiva W=∆Ec, substituindo W na equação,temos: F∆d=∆Ec, usando F=∆PA,temos: ∆P= ∆Ec/(A ∆d),como ∆Ec=Ecf-Eci,então ∆Ec=0,5(CfVf2-CiVi2),assim: ∆Ec=0,5{[єAVf2/(d-∆d)]-[єAVi2/d]},substituindo na fórmula da diferença de pressão: ∆P=(0,5 є/∆d){[Vf2/(d-∆d)]-[Vi2/d]}

10. Sensor de Pressão via Célula Capacitiva

11. Sensor de Pressão via Célula Capacitiva O pic 16F877 controla o sinal de reset, a entrada de disparo e monitoriza a tensão de saída, temporizado pelo monoestável 555. O pic também tem a função automática de ajuste de zero, para que as capacitâncias parasitas não interfira na medida, além de ajustar a escala de medida quando necessário, alterando a corrente sobre o capacitor com o auxílio do transistor. Ele mede uma faixa de 1pF até 10uF. O circuito faz a medição em tempo real da capacitância e o pic armazena o valor medido e da tensão. Estes valores armazenados são enviados para o computador via cabo serial como mostrado na próxima figura.

12. Sensor de Pressão via Célula Capacitiva Esta figura mostra a comunicação via porta serial com o computador. No caso o desejo é receber os dois dados armazenados pelo pic. Estes valores passam por um CI que converte sinal TTL pra RS232, para o computador.

13. Sensor de Pressão via Célula Capacitiva Com os dados captados do pic via porta serial, o computador fica responsável pelo cálculo da pressão e da plotagem, em tempo real, do gráfico da pressão versus o tempo. Estes podem ser implementados com um algoritmo e visualizado no monitor, como pode ser visto nos próximos slides respectivamente.

14. Sensor de Pressão via Célula Capacitiva %Função do cálculo da pressão e gráfico function pressão (Cf,Vf) % Cf e a capacitância final medida e Vf e a tensão armazenada sobre o capacitor Eo=8.85e-12; %constante de permissividade do ar Vi=100e-3; %tensão de referencia P1=1;% pressão do ar A=1e-4; %área das placas paralelas do capacitor d=1e-2; %distância de referência entre as placas paralelas for i=1:1:n+1 deltad(i)=d-(Eo*A)/Cf(i); % deltad e o diferencial da distância P2(i)=P1+(0.5*Eo/deltad(i))+((Vf(i)^2/(d-deltad(i)))-(Vi^2/d)); x(i)=i; if t==1 % t é uma variável lógica que indica a entrada dos valores Cf e Vf n=n+1; end plot (x,P2) end

15. Sensor de Pressão via Célula Capacitiva Abaixo está representado um possível gráfico da Pressão versus o tempo que o usuário irá visualizar na tela do computador.

16. Sensor de Pressão via Célula Capacitiva O gráfico acima é discretizado no tempo, ou seja ele não varia de forma continua, mas é clara a percepção de que há variações na pressão em relação a referencial, que é a parte constante. É nestas variações que o usuário pode realizar alguma ação para corrigir essa pressão.

17. Sensor de Pressão via Célula Capacitiva • Conclusão • Este aparato de medição pode ser acoplado em um só instrumento eletrônica, mas que necessitará do computador para sua perfeita utilização. Ele pode ser muito útil para indústria para medições de nível e pressão de reservatórios, para que seja possível um controle destes.

18. Sensor de Pressão via Célula Capacitiva • Referências • www.smar.com.br • www.luciano.ufrn.br/artigos:Medidor de capacidade e ESR • Livro do Halliday • Livro do Ogata • Livro do Tocci • Notas de aula