Medição de pressão e calibração de um sensor piezoelétrico

UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA[pic 1][pic 2]

Curso de Graduação em Engenharia Mecatrônica

Laboratório de Energia, Sistemas Térmicos e Nanotecnologia

RELATÓRIO DA SEGUNDA AULA PRÁTICA DA DISCIPLINA TERMODINÂMICA APLICADA (FEMEC41051)

Medição de pressão e calibração de um sensor piezoelétrico

Prof. Daniel Dall'Onder dos Santos

GRUPO 13

Adriedson Augusto Lima (11421EMT022)

Daniella Faria Freitas (11421EMT025)

João Marcos M. Borgato (11511EMT009)

Thiago Augusto de Santana (11411EMT017)

Uberlândia, Maio de 2017

1. Introdução

Pressão é uma propriedade intrínseca a qualquer sistema e este termo é utilizado em diversas áreas da ciência como sendo uma grandeza escalar que mensura a ação de uma ou mais forças sobre um determinado espaço, seja ele líquido, sólido ou gasoso.

Existem diversos instrumentos de para a medição de pressão e estes podem ser colocados em certas categorias:

• Baseados na gravidade: barômetros, manômetros, pistão de peso morto.
• Deformação elástica: tubo de Bourdon, diafragma, extensômetro;
• Comportamento de gases: compressão de gás (McLeod), condutância térmica (Pirani), impacto molecular (Knudsen), ionização, condutividade térmica, etc.
• Saída elétrica: resistência (Bridgman), extensômetro, capacitivo, piezoelétrico, LVDT, frequência de ressonância, etc.

1. Objetivos

O objetivo do experimento consiste na coleta de dados de diferença de potencial em um sensor piezoelétrico, onde os valores de pressão foram aplicados linearmente de forma crescente e posteriormente de forma decrescente. A partir daí, verificar a existência ou não de histerese, ou seja, analisar se houve diferença na reposta do instrumento entre a medição no sentido de pressão crescente e decrescente.  

A partir das curvas geradas pelos dados no laboratório, pode-se observar se há a presença de uma histerese do equipamento. Ao analisar os valores, poderemos averiguar se o sensor está ou não calibrado, de forma que se a histerese for baixa, o sensor estará calibrado.

1. Fundamentação teórica

1. Materiais e equipamentos

1. Manômetro

O manômetro em questão fora utilizado como manômetro ideal, isto é, fora utilizado como referência para a calibração do sensor piezoelétrico. O equipamento consiste em um conjunto de um tubo no formato de "C", responsável por sofrer o efeito da pressão, com um ponteiro na parte frontal, responsável por indicar a pressão ditada pelo tubo.

A indicação se dá conforme o princípio de uma "língua de sogra", pois a pressão interna gerada no tubo faz com que o mesmo tenda a se desenrolar. A partir disso, o deslocamento do tubo relaciona-se com o movimento rotativo do ponteiro do manômetro, o qual indica, portanto, a variação da pressão exercida no tubo. Este é, então, o valor lido no equipamento.

1. Sensor Piezoelétrico

Este sensor tem por princípio possibilitar que a variação de pressão exercida seja associada a uma variação de voltagem, a qual poderá ser lida posteriormente por um multímetro, na condição de voltímetro. Ou seja, o sensor piezoelétrico transforma a força exercida sobre a área de um material em uma diferença de potencial.

E, no caso, o sensor em questão é o sensor a ser calibrado no experimento. A partir da pressão exercida sobre o conjunto cilindro-pistão - ajustada a partir de um sistema de volante ligado a este – o sensor piezoelétrico realizará a transformação em ddp, possibilitando, então, fazer a leitura da mesma com o uso do voltímetro e comparar com a leitura obtida no sistema de referência - manômetro.

1. Sistema cilindro-pistão

O sistema é composto por um pistão dentro de um cilindro e, também, de um reservatório de óleo. Fora deste sistema, há um volante responsável por transmitir movimento ao conjunto cilindro-pistão gerando a compressão ou o alívio do fluido, e, com isso, possibilitando a leitura da pressão gerada neste interior, tanto no manômetro quanto no voltímetro.

1. Multímetro

O multímetro usado pode ser utilizado para ler valores tanto de resistência, quanto de corrente e, também, de tensão. No último, diz-se que o multímetro está na condição de voltímetro e foi nesta condição que utilizou-se o equipamento durante o experimento.

Ele foi responsável por ler a saída do sensor piezorresistivo. Ou seja, no experimento, o voltímetro foi usado para indicar a ddp fornecida pelo sensor.

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1. Procedimento experimental

Inicialmente, tem-se a montagem do sistema composto por todos os equipamentos e materiais apresentados anteriormente. O volante, em conjunto com o sistema cilindro-pistão e, também, com o reservatório de óleo e com o manômetro - o qual será o indicador ideal de pressão adotado no experimento -, além de todo o mecanismo responsável por unir as partes mencionadas, formam a montagem inicial. A seguir, têm-se imagens da montagem inicial do sistema e, também, dos equipamentos utilizados.

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Figura 1: Montagem do sistema composto pelo cilindro-pistão, manômetro, volante e também pelo sensor piezoelétrico.

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Figura 2: Equipamentos usados em conjunto com o sistema.

Assim, inicia-se o procedimento da seguinte forma: gira-se o volante lentamente para a direita, o qual fará com que o conjunto cilindro-pistão comprima o fluido, aumentando a pressão. O volante é girado até que o manômetro indique a primeira leitura para a pressão, de 0,25 kgf/cm². Neste instante, lê-se o valor da diferença de potencial indicada pelo voltímetro, o qual corresponderá à primeira leitura de ddp, para a primeira de pressão. Têm-se o valor de 4,46 Volts.