Medição da Pressão Hidráulica

Do lado de fora, todos os transdutores de pressão parecem relativamente iguais, mas o elemento de detecção principal varia muito entre os fabricantes de sensores. Uma das abordagens econômicas e tecnologicamente viáveis mais comuns é usar um extensômetro como elemento de detecção para transformar a tensão mecânica que a pressão induz no diafragma em um sinal de saída elétrica preciso e repetível. A TE usa a tecnologia de extensômetro Microfused em uma configuração de ponte de Wheatstone para transformar a tensão mecânica em um sinal de saída de tensão. A TE projetou o elemento de detecção como um único componente usinado integrado com a porta roscada. Esse design otimizado fornece um sinal robusto do elemento de detecção e proporciona níveis elevados de desempenho de sobrepressão e ruptura.

A TE usa um processo de colagem de vidro para fundir os extensômetros de silício à porta metálica. Os extensômetros são colocados na posição ideal para medir corretamente a tensão à medida que a pressão muda. Usamos processos de colagem de fios comprovados pelo setor para conectar os extensômetros e os componentes eletrônicos de condicionamento de sinais. Tecnologias concorrentes no mercado de sensores de pressão hidráulica, como deposição de filmes finos e filmes grossos, além de técnicas à base de cerâmica, utilizam diafragmas separados com elementos de detecção de baixa sensibilidade. Essas tecnologias requerem soldas adicionais nos caminhos dos fluidos, anéis de vedação O-ring internos ou etapas adicionais de processamento que podem levar a longos tempos de espera na cadeia de suprimentos. Tecnologias alternativas podem exigir altas tensões no elemento de detecção para compensar a baixa sensibilidade. Essas tensões altas, juntamente com a construção de várias peças, podem resultar em redução da estabilidade e durabilidade a longo prazo. A tecnologia de extensômetro Microfused usada pela TE tem comprovação de várias décadas na produção de alto volume, além de baixo risco de interrupção da cadeia de suprimentos. Ela fornece uma robusta conexão de fluido em peça única, reduzindo o risco de falhas internas do sensor e outros desafios mecânicos.

Como os transdutores de pressão são instalados como parte do sistema hidráulico, há vários desafios mecânicos que precisam ser identificados e tratados em seu design. Estas são áreas típicas nos sistemas hidráulicos que os projetistas de sistemas precisam considerar como parte do processo:

Cada uma dessas questões é abordada no design e na validação do sensor. As classificações de sobrepressão e de pressão de ruptura, a análise da fadiga e o uso de amortecedores de pressão fazem parte do processo de design na TE. Esses elementos são validados tanto através de simulações como de testes empíricos.

Em uma definição simples, este é o intervalo de pressão que requer controle ou confirmação do sistema. Em condições de operação típicas, o sistema sempre permanecerá dentro desse intervalo. Pressões fora dessa faixa normalmente não exigem medição.

O design do sistema muitas vezes tem eventos de pressão que excedem a faixa de medição necessária, mas não devem causar danos. Normalmente, a expectativa é que após um evento de sobrepressão, o sistema retorne à função normal. A TE especifica a pressão de teste como aquela que pode ser aplicada ao elemento de detecção sem causar uma mudança permanente na característica da saída ou na precisão do transdutor de pressão.

Alguns modos de falha potencial no nível do sistema podem resultar em pressões excessivas com risco de falha na contenção da pressão. A TE projeta e valida seus transdutores de pressão, teórica e empiricamente, para especificar a pressão mínima que pode ser exercida no sensor sem ruptura.

A fadiga típica da pressão é encontrada em sistemas onde há uma bomba ou válvula que resulta continuamente em flutuações de pressão no sistema. Essas flutuações variam em magnitude e frequência. Uma bomba pode criar uma oscilação de pressão de alta frequência com magnitude muito baixa, enquanto uma válvula pode resultar em uma mudança significativa de pressão, mas com menos frequência. Em alguns casos, pode ocorrer o oposto. Como é impossível prever todos os comportamentos potenciais do sistema, o M9100 da TE é testado em ciclos de pressão que vão de 0 à escala total, por até 10 milhões de ciclos. Ele também passa por validação teórica para confirmar que as tensões permanecem abaixo do limite de fadiga, proporcionando uma vida essencialmente ilimitada dentro da faixa de operação e, muitas vezes, dentro da faixa de pressão de teste. É importante destacar que, como o elemento de detecção da TE é muito mais sensível que os das tecnologias concorrentes, o nível de estresse é tão baixo que a fadiga da pressão não é uma preocupação.

Talvez o desafio mais oculto em um sistema hidráulico seja a ocorrência de transientes de pressão de alta frequência, comumente chamados de picos de pressão e, às vezes, de golpe de aríete. Um pico de pressão pode ocorrer durante a atuação da válvula, por ondas de pressão criadas devido à arquitetura do sistema ou pela entrada de ar na bomba hidráulica. Normalmente, o pico de pressão se caracteriza por um aumento extremamente rápido da pressão (geralmente microssegundos) em amplitudes muito altas (potencialmente 10X a pressão operacional). Um pico de pressão pode ser tão rápido a ponto de não ser detectado por um sensor de pressão típico. Esse fenômeno pode, no entanto, danificar permanentemente o transdutor de pressão resultando em uma mudança zero permanente, fazer com que o sensor deixe de responder à pressão ou romper o diafragma levando ao vazamento do fluido para a carcaça do sensor. Muitas vezes, os clientes não têm o equipamento adequado para identificar corretamente picos de pressão no sistema. A escolha de um transdutor de pressão com a tecnologia apropriada ajudará com esse aspecto. O design robusto e o amortecedor opcional do M9100 da TE reduzem os modos de falha potenciais causados por picos de pressão.

Outra consideração mecânica é a conexão dentro do circuito hidráulico. Há várias opções de conexões roscadas que são populares nas regiões globais, incluindo SAE (América do Norte), série G (EMEA) e métrica (APAC). A TE tem uma longa experiência com padrões históricos do setor, como SAE J1926 ou ISO 1179, e continua acompanhando as mudanças nos requisitos. Cada conexão roscada também tem a própria classificação. Com a alta pressão se tornando mais comum no setor hidráulico, é necessário tomar precauções adicionais para garantir que o transdutor de pressão tenha a classificação, o assentamento e o torque corretos.

Tradicionalmente, choque mecânico e vibração são condições simultâneas no setor de sensores. Os transdutores de pressão normalmente são expostos a ambas as condições, em aplicações rodoviárias ou off-road, de acordo com o ambiente mecânico específico em que são usados. Desde a vibração de alta frequência de um motor diesel até o choque de uma empilhadeira deixando cair uma carga inteira até o chão, essas condições exigem um transdutor de pressão que seja imune aos efeitos adversos de choques e vibrações. 

A durabilidade ambiental é fundamental para garantir que um produto possa suportar condições ambientais extremas e proporcionar anos de serviço confiável. É preciso levar em consideração o design mecânico e as opções de material do sensor de pressão para garantir compatibilidade e confiabilidade ao longo de sua vida de uso, mas também o impacto das condições ambientais no desempenho a longo prazo. Após essa revisão dos desafios mecânicos comuns que os sensores de pressão enfrentam, vamos analisar o design robusto do transdutor de pressão para serviço pesado M9100 da TE, projetado para resolver os problemas mecânicos de máquinas hidráulicas essenciais.

O design robusto e o desempenho confiável do transdutor de pressão M9100 atendem às necessidades de detecção de pressão em aplicações de serviço pesado. O sensor M9100 da TE é um dos melhores da classe em durabilidade hidráulica. O M9100 foi projetado com simplicidade e durabilidade em mente para atender ou superar as necessidades das aplicações mais adversas. Projetos complexos que requerem várias placas de circuito, fiação interna e múltiplas interconexões soldadas são tipicamente mais vulneráveis a falhas prematuras e problemas de confiabilidade de campo. O M9100 foi projetado para ser simples, compacto e durável, eliminando o maior número possível de modos de falha. O transdutor de pressão é compacto devido ao design de uma única placa de circuito impresso. Todas as juntas de solda no sensor são bem controladas por equipamentos automatizados de seleção e posicionamento e solda por refusão. Não há juntas de solda manuais, interconexões soldadas internas ou empilhamento de placas no sensor.

A estrutura do diafragma de detecção de peça única em aço inoxidável usinado elimina etapas extras de montagem, como soldas e ligações. A construção produz um baixo grau de tensão, resultando em excelente desempenho de teste e resistência a ruptura, fadiga e picos de pressão. Assim, há menor risco de problemas, tanto durante o processo de design como em campo. O design do sensor Microfused tem um diafragma extremamente espesso em comparação com outras tecnologias. Essa característica permite que o sensor seja mais resistente a danos causados por picos de pressão, com contenção total desses eventos. Além disso, o M9100 da TE tem um amortecedor integrado opcional que pode reduzir ainda mais a velocidade e a amplitude de um pico de pressão. O design integrado elimina a necessidade de um componente separado. O corpo interno do sensor é selado do ambiente externo por um anel de vedação O-ring. Esse design protege os componentes internos do sensor contra aerossol salino, umidade, lavagem a pressão mais alta e submersão.

O transdutor de pressão M9100 está equipado com sistemas de conexões grandes e duráveis, como a série de conectores DEUTSCH DT da TE, uma das melhores da classe em proteção de entrada. O sistema de conexões DEUTSCH, juntamente com o design robusto do sensor, resulta em um sensor projetado desde a concepção para sobrevivência em uma variedade de condições adversas. Além disso, elimina o risco de falhas pela penetração de aerossol salino, umidade, poeira ou água no produto. Os materiais escolhidos para o design excedem a faixa de temperatura de operação do produto. As opções de material termoplástico, adesivo e componentes eletrônicos (incluindo um ASIC [Application Specific Integrated Circuit – Circuito integrado específico da aplicação] com qualificação AEC-Q100) contribuem para a robustez do produto em condições extremas de temperatura, luz solar e oxigênio. O sensor também é resistente a produtos químicos típicos encontrados em aplicações de equipamentos pesados.

As máquinas hidráulicas e seus componentes precisam ter funcionamento confiável em condições extremas. A tecnologia central de um sensor de pressão é um sistema eletromecânico bastante complexo. O objetivo do sensor de pressão é converter a pressão do sistema em uma saída elétrica. No nível físico, a estratégia é converter a tensão de uma superfície (o diafragma) em uma saída elétrica que seja diretamente proporcional à pressão aplicada e repetível. No entanto, esse processo se torna complexo com a suscetibilidade dos elementos utilizados a quase todas as influências ambientais.

A tecnologia de extensômetro da TE, explicada anteriormente neste artigo, foi desenvolvida e otimizada ao longo de décadas para minimizar as fontes de erro e fornecer uma saída de pressão altamente sensível e repetível. O sinal de saída pode ser corrigido e amplificado com o uso de um circuito integrado específico da aplicação (ASIC). O ASIC corrige problemas induzidos por erros de saídas não lineares, além de erros térmicos e variações na tensão de alimentação. Essa correção de erros simplifica a definição básica de desempenho como a faixa de erro total. A faixa de erro total é o total de todos os erros restantes que o ASIC não pode corrigir (incluindo variações entre peças e entre lotes). Ela é definida como o erro máximo que o usuário verá ao longo da faixa de temperatura compensada. O M9100 usa um ASIC com qualificação AEC-Q100 que contém recursos de diagnóstico. Os diagnósticos confirmam que o sensor está funcionando corretamente e reduzem a possibilidade de um sinal de saída incorreto.

A especificação da faixa de erro total em uma ampla faixa de temperatura (-40 °C a +125 °C) simplifica as expectativas relacionadas ao funcionamento do sensor no sistema. O ASIC também é responsável pelo condicionamento do sinal do sensor, recebendo o sinal dos extensômetros de silício e convertendo-o em um sinal analógico amplificado. Embora o ASIC corrija erros repetitivos, os mesmos efeitos ambientais podem gerar erros não repetitivos. O mais frequente desses erros é o desvio ao longo do tempo. O desvio é definido como uma mudança temporal na saída do sensor. Essa influência pode decorrer de diversas fontes, incluindo alterações na tensão mecânica em um diafragma (deformação ou relaxamento do estresse), alterações físicas no elemento de detecção devido a efeitos elétricos ou mecânicos, alterações na resistividade de conexões elétricas ou géis protetores. Ciclos de pressão, ocorrências de sobrepressão, exposição à temperatura, ciclos de temperatura e umidade podem contribuir para esse desvio de longo prazo. Com sua longa experiência em tecnologia de extensômetro Microfused e nos fatores contribuintes conhecidos para o desvio ambiental, a TE conseguiu otimizar o design e o processamento para oferecer aos clientes um produto estável. Desde a concepção até a prova por testes de validação, o extensômetro Microfused da TE é uma das melhores tecnologias de detecção disponíveis.

O ambiente elétrico dos equipamentos está se tornando mais complexo com a transmissão de dados tanto dentro do equipamento como ao seu redor. Os sensores e transdutores estão expostos a níveis crescentes de ruído elétrico que poderão interferir com o sinal caso a proteção adequada não seja usada. O M9100 é validado segundo a ISO 11452-2 para suscetibilidade à radiação. Essa validação significa que o produto é imune a ruído elétrico nas proximidades e pode ser instalado próximo a componentes emissores de EMI. O M9100 é resistente a interferências do tipo BCI (Bulk Current Injection – Injeção de corrente em massa) de até 200 mA segundo a ISO 11452-4. Além disso, um alto nível de proteção elétrica para a fonte de alimentação deixa o sensor mais robusto ao controle insatisfatório da fonte de alimentação e reduz o risco de problemas no sistema. Embora seja recomendado projetar um sistema de fiação que não permita conexões reversas, o M9100 pode resistir a sobretensão de até 28 VCC, tensões de alimentação reversa de até 16 VCC e uma saída analógica em curto para V(+) ou GND (terra) sem sofrer qualquer dano. Consulte a ficha de dados do M9100 para obter a lista completa de especificações de testes elétricos para as quais o produto foi validado.

O sistema hidráulico é um componente crítico de sistemas de transporte industrial e comercial. O setor hidráulico tem enfrentado desafios maiores ao passar dos interruptores de pressão tradicionais para os transdutores e sensores de pressão. Alguns exemplos desses desafios são aumentos de pressão, temperaturas de operação mais altas, implantação em ambientes perigosos e adversos, além de transientes de pressão dentro dos circuitos hidráulicos. O design robusto e o desempenho confiável do transdutor de pressão M9100 da TE Connectivity lidam com esses desafios e atendem às necessidades de detecção de pressão em aplicações de serviço pesado.