Sensor de pressão de gás

O que é um sensor de pressão de gás?

Um sensor de pressão de gás é um dispositivo que converte sinais de pressão de gás em sinais elétricos mensuráveis. Ele detecta mudanças na pressão do gás por meio de componentes sensíveis e as converte em sinais elétricos padronizados, como tensão, corrente ou frequência, para saída, que podem ser lidos, registrados e monitorados remotamente por CLP, SDCD, instrumento de exibição digital ou sistema SCADA.

Ao contrário dos manômetros mecânicos tradicionais que só conseguem ler valores localmente, a principal vantagem dos sensores de pressão a gás é que os sinais podem ser transmitidos, registrados e integrados à automação. Uma única linha de sinal pode fornecer feedback em tempo real dos dados de pressão no local para a sala de controle, tornando-a mais eficiente. medição de pressão uma parte fundamental da automação industrial moderna e da manufatura inteligente.

Graças à maturidade da tecnologia MEMS (Sistemas Microeletromecânicos), os sensores de pressão de gás modernos estão evoluindo rapidamente em direção à miniaturização, alta precisão, baixo consumo de energia e produção em massa.

Princípio de funcionamento do sensor de pressão de gás

O princípio fundamental de funcionamento de sensores de pressão de gás O objetivo é converter sinais de pressão de gás em sinais elétricos mensuráveis. A chave é utilizar as propriedades físicas de componentes sensíveis à pressão que se alteram com a pressão e, em seguida, converter essa alteração em sinais elétricos padronizados por meio de circuitos subsequentes para a saída.

Os princípios de sensoriamento convencionais atuais incluem o seguinte:

• Efeito piezoresistivo: Utilizando o efeito piezoresistivo de materiais semicondutores de silício, quando um chip de silício se deforma sob pressão, seu valor de resistência muda correspondentemente, e essa mudança de resistência é convertida em tensão de saída através de um circuito de ponte de Wheatstone. Esta é atualmente a tecnologia mais utilizada na indústria, com as vantagens de alta sensibilidade, resposta rápida e custo relativamente baixo, sendo adequada para condições gerais de trabalho com gases e líquidos na faixa de 0 a 1000 bar.

• Capacitivo Detecta alterações nos valores de capacitância provocando mudanças no espaçamento entre as placas do capacitor por meio de pressão. Possui forte capacidade de proteção contra sobretensão e boa estabilidade a longo prazo, sendo adequado para medir pressões baixas e micropressões ou meios corrosivos.

  

• Piezoelétrico: Alguns materiais (como cristais de quartzo) geram cargas sob pressão e emitem sinais elétricos, sendo adequados para medição dinâmica de pressão.
• Óptico: Utiliza as alterações nas características ópticas de fibras ópticas ou grades de difração sob pressão para realizar medições, sendo adequado para ambientes com forte interferência eletromagnética.

Tipos de sensores de pressão de gás

De acordo com diferentes padrões de medição, os sensores de pressão de gás são divididos principalmente nas seguintes categorias:

• Sensor de pressão absoluta: mede a pressão relativa ao vácuo absoluto, sendo comumente usado para monitoramento da pressão atmosférica e medição de altitude.
• Sensor de pressão manométrica Mede a pressão em relação à pressão atmosférica ambiente, como no caso do monitoramento da pressão dos pneus (TPMS).
• Sensor de pressão diferencial: mede a diferença entre dois pontos de pressão e é amplamente utilizado no controle de fluxo em tubulações e no monitoramento da queda de pressão em filtros.
• Sensor de pressão selado: Baseado em uma pressão de referência selada fixa, adequado para cenários industriais específicos.

Cenários típicos de aplicação de sensores de pressão de gás

1. Indústria de petróleo e gás

A indústria de petróleo e gás é uma das áreas de aplicação mais desafiadoras para sensores de pressão de gás. A pressão de trabalho em gasodutos de longa distância pode atingir de 35 a 100 bar, e os requisitos de classificação de pressão, certificação à prova de explosão e seleção de materiais para transmissores de pressão são extremamente rigorosos. O processo de transporte de gás natural abrange cinco faixas de pressão: gasodutos de longa distância de alta pressão (35-100 bar), gasodutos intermunicipais (16-35 bar), gasodutos urbanos de alta pressão (1,6-4 bar), tubulações de distribuição de média pressão (0,1-1,6 bar) e usuários finais de baixa pressão (abaixo de 0,1 bar), cada uma com requisitos de instrumentação completamente diferentes.

Em aplicações de petróleo e gás, a certificação à prova de explosão é o principal pré-requisito para a seleção. O gás natural pertence ao Grupo IIC e, para áreas classificadas (Zona 1/Zona 2), devem ser selecionados instrumentos à prova de explosão com nível Ex db IIC T6. Além disso, o gás natural frequentemente contém traços de sulfeto de hidrogênio (H₂S), que é corrosivo para membranas comuns de aço inoxidável. Portanto, é necessário utilizar aço inoxidável 316L para os componentes de recepção de líquidos.

2. Automação Industrial e Controle de Processos

No campo da automação industrial, os sensores de pressão de gás são amplamente utilizados no monitoramento da pressão em tubulações, no controle de sistemas pneumáticos, no monitoramento da operação de compressores e em outros cenários. Seja para o monitoramento da pressão em reatores de plantas químicas ou para o controle da pressão em tubulações de sistemas de compressores de ar, sensores de pressão de gás de alta confiabilidade são indispensáveis.

3. Eletrônica Automotiva

A eletrônica automotiva é um importante mercado de aplicações para sensores de pressão de gás, principalmente para o monitoramento da pressão do coletor de admissão do motor (sensor MAP) e para o sistema de monitoramento da pressão dos pneus (TPMS).

4. Equipamentos médicos

Na área da saúde, equipamentos como ventiladores, máquinas de anestesia e monitores de pressão arterial dependem de sensores de pressão de gás de alta precisão para obter um controle preciso do fluxo e da pressão do gás.

5. Monitoramento ambiental e HVAC

A medição da pressão em estações meteorológicas, a detecção da pressão em sistemas de monitoramento da qualidade do ar e o monitoramento da pressão e da pressão diferencial em sistemas de climatização dependem de sensores de pressão de gás.

Guia geral para seleção de sensores de pressão de gás

A escolha correta é fundamental para garantir a precisão, a estabilidade e a segurança das medições. A seguir, apresentamos seis elementos comuns que devem ser considerados na seleção:

1. Faixa de pressão

A faixa de medição é o parâmetro de especificação mais básico dos sensores de pressão de gás. Ao selecionar um sensor, é necessário garantir que sua faixa de medição abranja o valor máximo da pressão desejada, mantendo uma certa margem de segurança. As faixas comuns variam de kPa a MPa.

2. Tipo de sinal de saída

Selecione o sinal de saída apropriado de acordo com os requisitos de interface do sistema de controle (PLC/DCS):

• Sinal de corrente de dois fios de 4-20 mA: o sinal padrão mais comumente usado em aplicações industriais, com forte capacidade anti-interferência e adequado para transmissão de longa distância.
• Sinal de tensão de 0-5 V/0-10 V: adequado para transmissão de curta distância.
• Comunicação digital HART: permite sobrepor comunicação digital em sinais de 4-20 mA, suporta configuração remota de parâmetros e diagnóstico.
• RS-485 Modbus: Adequado para redes multiponto e monitoramento remoto centralizado.

3. Compatibilidade de mídia

As propriedades químicas do gás medido determinam diretamente a seleção do material do sensor. Ao medir gases corrosivos (como gás natural contendo H₂S, gás cloro, gás amônia, etc.), é necessário usar aço inoxidável 316L ou materiais de liga especial para as partes em contato com o sensor. Ao medir gases especiais como o hidrogênio, também é preciso considerar a fragilização por hidrogênio.

4. Nível de precisão

A precisão dos sensores de pressão de gás industrial é geralmente expressa como uma porcentagem da escala completa (% FS), com níveis de precisão comuns incluindo ± 0,1% FS, ± 0,25% FS, ± 0,5% FS, etc. Para aplicações de alta precisão, como medições comerciais, recomenda-se o uso de produtos com grau de precisão de 0,1 ou 0,25.

5. Certificação à prova de explosão

Sensores de pressão utilizados em ambientes com gases inflamáveis ​​e explosivos devem possuir a certificação à prova de explosão correspondente:

• Tipo à prova de explosão (Ex d): O invólucro pode suportar explosões internas sem sofrer danos e não inflamará ambientes explosivos externos.
• Tipo de segurança intrínseca (Ex ia/Ex ib): As faíscas elétricas ou os efeitos térmicos gerados em condições normais de operação e de falha não são suficientes para inflamar ambientes explosivos.
• Ao selecionar, é necessário especificar o tipo de gás perigoso, o grupo de temperatura e o nível da zona (Zona 0/1/2) na área de instalação.

6. Faixa de temperatura de operação

Os sensores de pressão de gás precisam se adaptar a diferentes temperaturas ambientais. A faixa de temperatura operacional típica para produtos de grau industrial é de -40 °C a 85 °C. Em ambientes extremos com temperaturas altas ou baixas, devem ser selecionados produtos com ampla faixa de temperatura.

Guia de seleção especial para diferentes meios gasosos

As propriedades químicas dos diferentes gases variam muito, exigindo materiais, processos e projetos de sensores bastante distintos. A seguir, apresentamos uma análise detalhada da seleção de sensores comuns para medição da pressão de gases na indústria:

Sensor de pressão de nitrogênio

O nitrogênio é um dos gases inertes mais utilizados na indústria, e sua medição de pressão em si não é complicada, mas apresenta requisitos especiais em cenários de alta pureza e alta pressão.

• Medição convencional: Para tubulações de nitrogênio comuns, um sensor de pressão universal é suficiente para atender aos requisitos.
• Nitrogênio de alta pureza: Em indústrias como a de semicondutores, que exigem pureza extremamente alta (como ≥ 99,999%), sensores fabricados inteiramente em aço inoxidável SUS 316L devem ser selecionados para evitar a contaminação por gases causada por juntas de liga de cobre e outros materiais.
• Cilindro de gás de alta pressão: Ao medir a pressão de cilindros de nitrogênio de alta pressão, recomenda-se escolher produtos com uma faixa de 1,5 a 2 vezes a pressão de trabalho e priorizar o enchimento com líquido absorvente de choque (como glicerina) para lidar com o choque de pressão e a vibração durante o enchimento e esvaziamento do cilindro de gás.
• Requisitos de proteção contra explosões: Em áreas classificadas como perigosas, como a indústria petroquímica, devem ser selecionados produtos à prova de explosão com certificação ATEX ou IECEx.

Sensor de pressão de ar/oxigênio

A medição do ar é a mais comum, mas a medição do oxigênio puro possui os requisitos de segurança mais rigorosos e específicos entre todos os gases.

• Ar comprimido: Como o meio de medição mais comum, geralmente se seleciona um sensor de pressão universal. Em sistemas pneumáticos, como compressores de ar, recomenda-se escolher sensores com saídas de sinal padrão, como 4-20 mA, para adaptação ao controle de frequência variável.
• Oxigênio: O oxigênio em si não é inflamável, mas possui fortes propriedades que auxiliam a combustão. Sob alta pressão, reage violentamente com substâncias orgânicas como óleos e gorduras, representando um risco de explosão.
• Requisito fundamental: Tratamento "sem óleo": Esta é a principal prioridade para a seleção de oxigênio. Os sensores precisam ser produzidos, limpos e embalados utilizando um processo "sem óleo".
• Fluido de enchimento especial: Para evitar a reação de oxidação entre o óleo de silicone comum e o oxigênio, o sensor precisa ser preenchido com óleo inerte (como o Fluorolubricant) em seu interior (óleo ®).

Sensor de pressão de dióxido de carbono (Sensor de pressão de CO₂)

A medição da pressão de CO₂ divide-se principalmente em duas vertentes: monitorização ambiental e refrigeração industrial, apresentando diferenças significativas nos requisitos técnicos.

• Monitoramento ambiental: mede principalmente concentrações baixas (como 400-10000 ppm), frequentemente usando sensores de concentração de CO₂ em vez de transmissores de pressão puros.
• Refrigeração industrial: Em sistemas de refrigeração com CO₂, a pressão é muito alta (geralmente superior a 30 bar), e sensores de pressão especialmente projetados para alta pressão devem ser selecionados para garantir que sua resistência à pressão e capacidades de proteção contra sobrecarga atendam aos requisitos de pressão extrema.

Sensor de pressão de hidrogênio

• A medição de hidrogênio é um grande desafio no campo dos instrumentos industriais, sendo fundamental resolver os dois principais problemas de "fragilização por hidrogênio" e "permeação de hidrogênio".
• Fragilização por hidrogênio: Os átomos de hidrogênio infiltram-se na estrutura metálica, fazendo com que a membrana se torne quebradiça e se rompa repentinamente sob tensão muito abaixo da resistência normal.
• Permeação de hidrogênio: Os átomos de hidrogênio penetram na membrana de aço inoxidável e entram na câmara interna de óleo de silicone, formando bolhas, o que causa desvios no ponto zero e na faixa de medição do sensor, levando, em última instância, à sua falha.
• Membrana revestida com ouro: O revestimento com ouro na superfície da membrana de aço inoxidável é um método eficaz para suprimir a permeação de hidrogênio.
• Materiais especiais: Em ambientes de hidrogênio de alta pressão ou alta pureza, pode ser necessário usar materiais com melhor resistência à fragilização por hidrogênio, como Hastelloy e Inconel.

⚠️ É estritamente proibido o uso de núcleos preenchidos com óleo comum: sensores de pressão padrão preenchidos com óleo são estritamente proibidos de serem usados ​​em hidrogênio ou misturas gasosas com concentração de hidrogênio superior a 30%, pois sua falha é sistemática.

Sensor de pressão de cloro/gás corrosivo

Para esse tipo de gás, a escolha do material do sensor determina diretamente a segurança e a confiabilidade da medição.

• Gases corrosivos (como o gás cloro Cl₂): gases tóxicos amarelo-esverdeados à temperatura e pressão ambiente. O gás cloro seco ainda é corrosivo para aço, ferro, etc., mas, ao conter uma pequena quantidade de vapor de água, gera ácido hipocloroso e ácido clorídrico altamente corrosivos. O diafragma e a carcaça de pressão devem ser feitos de materiais resistentes à corrosão, como tântalo ou liga de titânio.
• Outros gases corrosivos (como amônia NH3, sulfeto de hidrogênio H₂S): Semelhante ao gás cloro, membranas revestidas com Hastelloy ou PTFE (politetrafluoroetileno) devem ser usadas para resistir à corrosão eletroquímica. Ao medir gás natural contendo H₂S, deve-se selecionar um manômetro especializado resistente a enxofre.

Sensor de pressão de gás natural

A medição de gás natural concentra-se principalmente na prevenção de explosões e em materiais, com uma faixa de pressão que abrange desde gasodutos de longa distância até o gás residencial.

• Certificação à prova de explosão: O gás natural pertence ao Grupo IIC de gases perigosos, e equipamentos de alto nível de proteção contra explosão, como Ex db IIC T6, devem ser selecionados em áreas de Zona 1/2.
• Requisitos de materiais: Se o gás natural contiver sulfeto de hidrogênio (H₂S), o material em contato com o líquido precisa ser aprimorado para evitar fissuras por corrosão sob tensão.
• Ampla faixa de cobertura: desde a transmissão de gás de alta pressão (>100 bar) até a micropressão do gás urbano (<30 mbar), a faixa e a precisão adequadas precisam ser selecionadas de acordo com as condições operacionais específicas.

Principais desafios e pontos-chave de seleção de tipos de gás

• É necessário nitrogênio (N₂) de alta pureza e aço inoxidável 316L para suportar impactos de alta pressão. Para cenários de alta pressão, selecione um modelo com alcance de 1,5 a 2 vezes e preenchido com líquido, resistente a choques.
• Os riscos de segurança relacionados ao ar/oxigênio (O₂) (auxílio à combustão) devem ser tratados com "proibição de óleo"; Preenchimento interno com óleo inerte; Adoção de técnicas de limpeza especializadas.
• Sensor de concentração para monitoramento rotineiro de dióxido de carbono (CO₂) em alta pressão (sistema de refrigeração); o sistema de refrigeração deve ser do tipo específico para alta pressão.
• Fragilização por hidrogênio (H₂) e revestimento de ouro em membranas de permeação de hidrogênio; Seleção de ligas especiais para cenários de alta pressão; É estritamente proibido o uso de núcleos preenchidos com óleo comum.
• A membrana e o invólucro do gás cloro (Cl₂), altamente corrosivo, são feitos de materiais resistentes à corrosão, como ligas de tântalo ou titânio.
• O risco de explosão de gás natural e corrosão por enxofre exige certificação à prova de explosão (Ex db IIC T6); quando houver presença de H₂S, devem ser selecionados materiais resistentes ao enxofre.

Precauções de instalação

A instalação correta é fundamental para garantir o funcionamento estável e a longo prazo dos sensores de pressão de gás:

1. Ao medir a pressão do gás, a tomada de pressão deve ser aberta na parte superior da tubulação do processo, e o sensor também deve ser instalado na parte superior da tubulação para facilitar o refluxo do líquido acumulado para dentro da tubulação.
2. Antes da instalação, é necessário verificar se o tamanho da interface é compatível. Caso contrário, deve-se utilizar um adaptador adequado.
3. Evite a instalação dentro do alcance de radiação de fontes de calor ou perto de fontes de vibração intensa. Se necessário, instale capas isolantes ou dispositivos de redução de vibração.
4. Cabos de sinal não devem ser misturados com cabos de energia, e interferências eletromagnéticas fortes devem ser evitadas ao redor dos sensores.
5. A instalação deve ser realizada sem pressão ou fornecimento de energia elétrica.
6. Para meios isentos de oxigênio e outros óleos, é necessário garantir que todas as partes em contato com o produto sejam submetidas a uma limpeza rigorosa e isenta de óleo antes da instalação.

Como componente essencial dos modernos sistemas de medição e controle industrial, os sensores de pressão de gás impulsionam o desenvolvimento da automação e da inteligência em diversos setores por meio de avanços tecnológicos. Seja em oleodutos e gasodutos de longa distância, no controle de processos químicos ou em eletrônicos automotivos e equipamentos médicos, soluções de medição de pressão de gás de alta precisão e confiabilidade são indispensáveis.

Na seleção específica, além de parâmetros comuns como alcance, precisão e sinal de saída, o tipo de gás a ser medido é frequentemente o fator principal que determina o material do sensor, o processo e o projeto de segurança. Do ar comprimido convencional aos gases especiais oxigênio, hidrogênio e cloro, cada gás possui requisitos técnicos únicos para seu equipamento de medição.

A Silverinstruments atua há muitos anos no setor de instrumentos industriais, comprometida em fornecer aos clientes transmissores de pressão de alta qualidade. Nossos sensores de pressão para gases abrangem diversas faixas de medição, sinais de saída e níveis de segurança contra explosão, atendendo a uma ampla gama de necessidades de aplicação, desde a indústria em geral até o setor de petróleo e gás, em temperaturas que variam de ambiente a ampla faixa de temperatura, e de áreas comuns a áreas classificadas como perigosas. Além disso, para gases especiais como oxigênio, hidrogênio, cloro, etc., oferecemos soluções personalizadas com tratamento "isento de óleo", revestimento em filme dourado e materiais de liga especial.