A medição e controle de pressão é a variável de processo mais usada na indústria de controle de processos nos seus mais diversos segmentos. Além disso, através da pressão é facilmente possível inferir uma série de outras variáveis de processo, tais como nível, volume, vazão e densidade. Comentaremos neste breve artigo alguns detalhes da leitura direta e totalmente digital de pressão em um transmissor com sensor capacitivo.
Estes são os sensores mais confiáveis e que já foram usados em milhões de aplicações. São baseados em transdutores onde a pressão aplicada a diafragmas sensores faz com que se tenha uma variação da capacitância entre os mesmos e um diafragma central, por exemplo. Esta variação de capacitância tipicamente é usada para variar a freqüência de um oscilador ou usada como elemento em uma ponte de capacitores. Esta variação de capacitância pode ser usada para variar a freqüência de um oscilador. Esta freqüência pode ser medida diretamente pela CPU e convertida em Pressão. Neste caso não existe conversão A/D o que contribui na exatidão e eliminação de drifts embutidos nas conversões analógicas/digitais . Vale a pena lembrar que este princípio de leitura totalmente digital é utilizado pela SMAR desde a década de 80 (a SMAR, é a única empresa brasileira e uma das poucas no mundo a fabricar este tipo de sensores). Os sensores capacitivos possuem respostas lineares e praticamente insensíveis a variações de temperatura, sendo os mais indicados em instrumentação e controle de processos, já que possuem excelentes performance em estabilidade, em temperatura e pressão estática. Algumas de suas vantagens:
- Ideais para aplicações de baixa e alta pressão.
- Minimizam o Erro Total Provável (ETP) e conseqüentemente a variabilidade do processo.
- Ideais para aplicações de vazão.
- Por sua resposta linear, permite alta rangeabilidade com exatidão.
Figura 1 - Exemplo de construção de um sensor capacitivo
Mantendo o sinal totalmente digital desde o sensor até a aquisição e leitura pela CPU permite infinitamente maior qualidade dos sinais, ficando livre de derivas térmicas e degradações associadas aos métodos analógicos e que são usados pela maioria dos fabricantes de transmissores de pressão. A medição digital, portanto, reduz o Erro Total Provável (ETP).
Este princípio de medição direta e digital é usado em todos os transmissores SMAR da Série 300 e Série 400 (LD301, LD302, LD303, LD291, LD292, LD293 e LD400) e o LD1.0 (Sensor Econômico). Desde 1988, quando a SMAR introduziu no mercado o LD300, este princípio já era usado e com isto a SMAR se tornou a primeira empresa em nível mundial a ter um sensor de pressão com leitura direta e totalmente digital, garantindo medições com altas exatidões e proporcionando menores variabilidades de processos.
O sensor capacitivo é composto por uma parte mecânica que é a chamada célula capacitiva e uma parte eletrônica que é basicamente um circuito ressonante.Veja a figura 2.
Figura 2 – Sensor de Pressão Capacitivo SMAR
Um esquema da célula capacitiva é mostrado na figura 2.
No centro da célula está o diafragma sensor. Este diafragma flexiona-se em função da diferença de pressões aplicadas ao lado direito e esquerdo da célula.
Essas pressões são aplicadas diretamente aos diafragmas isoladores, os quais fornecem resistência contra corrosão provocada por fluidos de processos. A pressão é diretamente transmitida ao diafragma sensor através do fluido de enchimento, provocando a sua deflexão.
O diafragma sensor é um eletrodo móvel. As duas superfícies metalizadas são eletrodos fixos. A deflexão do diafragma sensor é percebida através da variação da capacitância entre os dois eletrodos fixos e o móvel.
Uma vez que o movimento do diafragma sensor é mínimo, a histerese é praticamente nula. O projeto do sensor, com tecnologia de ponta da SMAR, garante a linearidade e repetibilidade, tornando o sensor altamente confiável em termos de leitura e exatidão.
Figura 3 – Exemplo de um Transmissor Capacitivo SMAR: LD301 (HART®/4-20mA), LD302 (FF) e LD303 (Profibus-PA)
O circuito eletrônico ressonante lê a variação da capacitância entre a placa móvel e a fixa. A CPU condiciona o sinal e comunica de acordo com o protocolo do transmissor. Como não há conversão A/D, os erros e desvios são eliminados durante a conversão. O sensor de temperatura fornece a compensação da temperatura que, combinada com a precisão do sensor de pressão, resulta em uma alta exatidão e rangeabilidade para as diversas séries e modelos de transmissores SMAR.
A variável de processo, assim como a monitoração e a informação de diagnóstico, é fornecida através do protocolo de comunicação digital. As opções de protocolos de comunicação disponíveis são: HART®, FOUNDATION™ fieldbus e PROFIBUS PA.
Esses protocolos podem ser facilmente modificados substituindo-se a placa eletrônica interna ou fazendo o download do firmware. Trocando-se a placa interna, o transmissor HART® pode se tornar um instrumento FOUNDATION™ fieldbus / PROFIBUS PA e vice-versa. Um instrumento FOUNDATION™™ fieldbus pode se tornar um PROFIBUS PA, apenas fazendo o download do firmware do equipamento.
A SMAR constantemente desafia suas fronteiras e seus limites. Sua equipe de engenheiros estão neste momento trabalhando em produtos que dominarão o mercado nos próximos anos; produtos sempre com inovação.
Esta equipe não mediu esforços e desenvolveu um “super chip” HART®, o HT3012, que é um processador 4 em 1 que complementa o microprocessador de seus transmissores dando uma tremenda performance. Este chip provê um co-processador matemático, um modem HART®, um controlador de LCD e um conversor PWM (para o sinal de 4-20mA), que combinados com a precisão do sensor capacitivo, provêm a alta exatidão e rangeabilidade peculiares à linha de transmissores SMAR. O HT3012 é um chip de alta integração que permite que as séries de transmissores SMAR sejam caracterizadas por uma única placa eletrônica (single circuit board) simplificando a manutenção e com um dos mais altos MTBFs (Mean Time Between Failures) do mercado. Para melhorar ainda mais a performance do transmissor, a temperatura é constantemente medida e a saída do transmissor é continuamente compensada para esta variação. Esta alta performance garante rápidas respostas, o que faz do LD400 o transmissor mais rápido do mercado.
Figura 4 – LD400
Os transmissores SMAR foram desenvolvidos para ser uma solução robusta e altamente confiável para a medição de pressão. Apresenta grande flexibilidade nas aplicações devido ao uso de um sensor capacitivo que mantém o sinal digital desde a leitura do sensor até a saída do transmissor, resultando em uma resolução alta e eficaz.
Todo o processamento é feito pelo HT3012, um poderoso co-processador matemático que assegura uma resposta rápida e um elevado desempenho para o transmissor. Os transmissores SMAR são a melhor escolha para aumentar a produtividade e garantir a confiabilidade do seu processo.
Figura 5 – Super Chip HT3012 & Sensor Capacitivo: Performance, Confiabilidade e muito mais...Autor
- César Cassiolato
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