Introdução: Os barômetros estão sendo cada vez mais usados em smartphones, tablets e tecnologia vestível, abrindo as portas para novas aplicações industriais, como monitoramento preciso da posição da altura e manutenção preditiva. Então, como você escolhe o barômetro certo com base nos requisitos do seu projeto? A quais parâmetros específicos você deve prestar atenção? Que detalhes técnicos você deve considerar ao selecionar um produto? Quais são as últimas combinações de barômetros? Que novas direções de aplicação existem para barômetros? Através deste artigo, espero que você possa obter as informações necessárias para encontrar o barômetro ideal para seu próximo projeto.
Aprenda sobre 3 métodos de medição de pressão e 4 técnicas de fabricação e escolha aquele que se adapta ao seu projeto
Barômetros são usados para detectar a pressão do ar de gases ou líquidos. Como transdutores, os barômetros convertem a pressão do ar aplicada em sinais de saída analógicos ou digitais e geralmente são classificados de acordo com o tipo de medição da pressão do ar e a tecnologia sensível à pressão.
Existem três maneiras de medir a pressão do ar:
Pressão absoluta: A pressão absoluta é a pressão medida em relação a um vácuo perfeito. Se você colocar um barômetro absoluto no ar, o sensor lerá a pressão real do ar naquele local. Portanto, os barômetros absolutos são afetados por mudanças de altitude e clima, etc.
Pressão diferencial: A diferença na pressão do ar medida entre duas fontes de pressão.
Pressão manométrica: Quando uma das fontes de pressão é a pressão do ar ambiente, a diferença de pressão medida é chamada de pressão manométrica.
Depois de esclarecer o método de medição de pressão, também é necessário perceber que os diferentes princípios utilizados na produção de barômetros afetarão diretamente a precisão, o alcance, o tamanho do sensor e o ambiente aplicável de detecção.
A seguir estão as tecnologias sensíveis à pressão mais comumente usadas:
■ Barômetro piezoresistivo: Utiliza o efeito piezoresistivo para detectar a mudança na resistência de um ou mais resistores montados no diafragma quando a pressão do ar é aplicada. Adequado para testes de pressão gerais exigidos pela Internet das Coisas, indústria e medicina.
■ Barômetro piezoelétrico: Utiliza as características dos materiais piezoelétricos para detectar a carga proporcional à pressão do ar aplicada à superfície. Adequado para ambientes de alta temperatura, como medição de pressão altamente dinâmica em motores a jato.
■ Barômetro capacitivo: mede a pressão do ar detectando a alteração na capacitância causada pelo movimento de um diafragma feito de vidro, cerâmica ou silício. Também adequado para testes de pressão gerais exigidos pela Internet das Coisas, indústria e medicina
■ Barômetro de fibra óptica: Utiliza o efeito óptico da fibra óptica. Adequado para ambientes agressivos, como petróleo e gás, aeroespacial, defesa e médico.
Compreendendo os 8 parâmetros principais de um barômetro
Além dos princípios básicos do barômetro, você também precisa entender o significado dos parâmetros relacionados, que também é a principal referência para a sua escolha do barômetro:
Faixa de pressão ou amplitude: A faixa de pressões que um sensor pode medir. A tolerância de sobrepressão do sensor, que é a pressão máxima que o dispositivo pode suportar e ainda funcionar quando o barômetro retorna à faixa de operação, também deve ser considerada.
Precisão: A precisão absoluta indica quão próxima a saída do barômetro está da pressão real. É expresso como a diferença entre dois valores. A precisão relativa é o erro entre duas medições.
Embalagem: Determinado pelo ambiente do aplicativo final e pelas restrições de tamanho. Geralmente são preferidas embalagens pequenas e à prova d'água.
Barulho: Simplificando, é a variação aleatória da saída do sensor relacionada a alterações na entrada do sensor.
Deslocamento do coeficiente de temperatura: Também conhecido como coeficiente de temperatura de pressão zero. Representa a mudança no deslocamento na pressão zero devido à temperatura, portanto, quanto menor, melhor.
Taxa de dados de saída: A taxa na qual os dados são amostrados.
Largura de banda: O sinal de frequência mais alta que pode ser amostrado sem aliasing.
Consumo de energia: O consumo de energia é extremamente importante para aplicações que funcionam com baterias pequenas e para aquelas que precisam preservar ao máximo a vida útil da bateria. O consumo de energia está intimamente relacionado à escolha do ODR e da resolução. O ruído RMS do barômetro também está relacionado à largura de banda e à resolução, portanto o consumo de energia e a resolução devem ser ponderados para atender aos requisitos de aplicação do sensor. Claro, existem outros parâmetros, como tensão de alimentação, temperatura operacional, alcance, interface de comunicação, etc.
Relação entre pressão atmosférica e altitude
Aqui estão as unidades de medida da pressão atmosférica:
Psi – libras por polegada quadrada
Cm/Hg – centímetros de mercúrio
Cm/Hg – polegadas de mercúrio
Pa – Pascal, unidade SI de pressão, 1Pa = 1 N/m2
Bar – bar, unidade de pressão do ar, 1 bar = 105Pa
Mbar – milibares, 1mbar = 10-3 bar
Vivemos nas regiões mais baixas da atmosfera terrestre, onde a pressão atmosférica diminui à medida que a altitude aumenta. Definimos a pressão atmosférica padrão como 29,92 in/Hg ao nível do mar a 59°F, um valor médio que não é afetado pelo tempo, mas pela localização geográfica do ponto de medição, temperatura e correntes de ar.
Portanto, a relação de conversão entre as unidades de pressão acima é:
1 atmosfera padrão = 14,7 psi = 76 cm/Hg = 29,92 pol/Hg = 1,01325 bar = 1013,25 mbar
A relação entre pressão atmosférica e altitude pode ser expressa da seguinte forma[1]:
Onde:
P0 é a pressão atmosférica padrão, igual a 1013,25 mbar;
Altitude é a altitude em metros.
P é a pressão do ar em mbar a uma certa altitude
A Figura 1 descreve a relação entre a mudança da pressão atmosférica e a altitude com base na fórmula acima.
Conforme mostrado na figura, quando a altitude aumenta do nível do mar para 11.000 metros acima do nível do mar, a pressão atmosférica cai de 1.013,25 mbar para 230 mbar. Não é difícil perceber pela figura que quando a altitude é inferior a 1.500 metros, a pressão atmosférica diminui quase linearmente, com uma diminuição de cerca de 11,2 mbar por 100 metros, ou seja, cerca de 1,1 mbar por 10 metros. Para obter dados de medição de altitude mais precisos, uma tabela de consulta de altitude de pressão atmosférica pode ser construída no aplicativo de destino para determinar a altitude correspondente com base nos resultados de medição do sensor de pressão.
Se for usado um sensor de pressão absoluta MEMS com faixa completa de 300 mbar a 1.100 mbar, a altitude de medição pode atingir 9.165 metros acima do nível do mar a 698 metros abaixo do nível do mar.
Exemplo de aplicação: Determinação do nível do piso usando sensores MEMS
A resolução de medição de 0,1 mbar (10Pa) /rms permite Sensores de pressão MEMS para detectar mudanças de altura dentro de 1 metro. Portanto, em edifícios altos, sensores de pressão podem ser usados para detectar alterações nos pisos.
Em segundo lugar, estações de monitoramento de altitude são implantadas em vários locais da região para medir a pressão atmosférica local, corrigir o clima e outros fatores de influência, criar uma leitura de altitude de alta precisão e, em seguida, determinar a altura exata do piso do dispositivo, trazendo novos recursos para geolocalização.
A Figura 2 mostra os dados do sensor de pressão coletados na STMicroelectronics’ Prédio de escritórios Castelletto na Itália. A taxa de amostragem é de 7 Hz e o tempo de coleta de dados é de cerca de 23 minutos no total. Na figura podemos ver claramente as mudanças na pressão atmosférica nos diferentes andares. A pressão atmosférica é mais alta no porão. À medida que os pisos sobem, a pressão atmosférica diminui gradualmente.
Para ambientes urbanos complexos com edifícios de vários andares, a tecnologia GPS atual não pode fornecer dados de posição tridimensionais confiáveis. Mas a aplicação de barômetros tornou-se uma nova solução, que é projetada com base na mudança da pressão do ar – quando uma pessoa atinge uma certa altura, a pressão do ar cai.
Conforme mostrado na figura abaixo, nesta solução, em primeiro lugar, o dispositivo vestível ou celular deve possuir um sensor barômetro de alta qualidade, como: WF5803F, 5803C/WF280A, etc., ou sensores de pressão de ar industriais WF5805F e 5837, com taxa de amostragem de 3kHz e tempo total de coleta de dados de cerca de 3ms.
A WFsensors fornece uma variedade de sensores de barômetro piezoresistivos com uma ampla gama de modelos de produtos, incluindo tipos de pressão absoluta não à prova d'água e de pressão absoluta à prova d'água, adequados para muitos produtos terminais inteligentes, como telefones celulares, drones, wearables, relógios/pulseiras, relógios esportivos, etc.
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