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Medição de Pressão com baixa incerteza de medição

Pressure measurement with low measurement uncertainty

Marcus André P. Oliveira 1, Wendell E. M. Costa 1, Maxwell Moura Costa 1

1 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Tocantins;

E-mail: marcusandre@ifto.edu.br, wendell@ifto.edu.br, maxwell@ifto.edu.br

Resumo: Este artigo apresenta a implementação de um sistema de medição de pressão. O sistema desenvolvido utiliza um transdutor de pressão baseado em tecnologia MEMS, o US-9111, com baixa histerese, alta confiabilidade e estabilidade. Ao ser alimentado com uma tensão constante, produziu uma saída de tensão diferencial linearmente proporcional a pressão de excitação. Um circuito de condicionamento de sinais baseado no AMS1100 e no INA117 foi implementado de modo a adequar o sinal de saída a entrada do conversor AD. Estes procedimentos garantiram alta confiabilidade e compatibilidade entre os resultados de medição realizados. Resultados experimentais são apresentados para validar o sistema.

Palavras-chave: Pressão, Sensor, Amplificadores de instrumentação, Instrumentação eletrônica.

Abstract: This paper discusses the implementation of a pressure measurement system. The developed system utilizes a pressure transducer based on US-9111 MEMS technology, with low hysteresis, high reliability and stability. When fed with a constant voltage, it produced a differential voltage output, proportionally linear to the excitation pressure. A signal conditioning circuit based on AMS1100 and INA117 ICs was implemented in order to match the output signal to the input of the AD converter. These procedures ascertained high reliability and compatibility between the measurement results achieved. Experimental results are presented to validate the system.

Keywords: Pressure, Sensor, Instrumentation amplifiers, Electric instrumentation.

1. INTRODUÇÃO

No meio acadêmico, o custo elevado da aquisição de equipamentos de laboratórios, a dependência tecnológica somada a impossibilidade de incorporar novas tecnologias a estes sistemas são fatores que devem ser avaliados antes de tal aquisição.

Uma solução para este problema é aliar o conhecimento teórico adquirido nas disciplinas

ministradas durante o curso para solucionar problemas práticos que possam contribuir para o desenvolvimento de sistemas.

Neste sentido, este artigo descreve procedimentos utilizados durante curso de Instrumentação Eletrônica do IFTO, com objetivo de construir um protótipo de medição de pressão manométrica, utilizando um sensor de pressão piezorresistivo, baseado em tecnologia MEMS

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(Micro Electro Mechanical System), de estado sólido. O sinal de saída do sensor é condicionado e adequado ao valor da tensão de entrada de um conversor AD. Resultados dos ensaios experimentais são apresentados e comprovam a baixa incerteza de medição [1] encontrada com o protótipo desenvolvido.

2. MEDIÇÃO DE PRESSÃO

A medição de pressão é uma das principais variáveis de processo, sendo utilizada na indústria de controle de processos nos mais diversos ramos de segmentos. A unidade de medida de pressão do Sistema Internacional de unidades (SI) é o Pascal [2].

2.1 Esfigmomanômetro comercial

Para calibração do instrumento desenvolvido se faz necessário utilizar como padrão de referência uma balança de pressão ou um padrão adequado cuja incerteza seja 4 vezes menor do que a do instrumento a ser calibrado [3,4]. Porém, no Instituto não havia nenhum equipamento que pudesse ser utilizado para este fim.

Optou-se por utilizar um Esfigmomanômetro (Medidor de Pressão Arterial) analógico como referência. Da marca Solidor (Hebei Medicines and Health Prod., China), importado por Lamedid Comercial e Serviços Ltda, pois o mesmo é utilizado para aferir o mesmo intervalo de medição de pressão do sensor, de 0 a 300 mmHg [5]. Este possui resolução de 1 mmHg e certificado emitido por órgão fiscalizador competente, o Inmetro. Na figura 1 ilustra-se o Esfigmomanômetro conectado ao sistema desenvolvido.

Na Portaria de Aprovação de Modelo (PAM) do Esfigmomanômetro considerado como padrão [6], não consta nenhum parâmetro de rastreabilidade (erro ou incerteza de medição), apenas se faz menção à Portaria INMETRO n.º 24/1996 em que se considera que o erro de indicação dos Esfigmomanômetros analógicos não deve ser superior a ± 3 mmHg [7].

No Vocabulário Internacional de Metrologia, quando se faz a definição do resultado de medição, a nota 2 diz: “Um resultado de medição é geralmente expresso por um único valor medido e uma incerteza de medição. Caso a incerteza de medição seja considerada desprezável para alguma finalidade, o resultado de medição pode ser expresso como um único valor medido”. Assim, como o erro e a incerteza não são fornecidos pelo fabricante e nem pelo órgão responsável por sua fiscalização considera-se, para este trabalho, como resultado de medição do Esfigmomanômetro analógico o único valor medido [8].

A medida que houver recurso institucional será adquirido equipamento com menor incerteza de medição, que possa ser utilizado para calibrar o sistema ora desenvolvido.

2.2 Sensor de pressão piezorresistivo

Os sensores de pressão são transdutores que convertem a grandeza física pressão em um sinal elétrico.

Diferentes métodos são utilizados para realizar a medição de pressão, mas quando se requer a avaliação da variável elétrica os sensores de pressão capacitivo, piezoelétrico e resistivos são os empregados [2]. Dentre esses métodos nos deteremos ao piezorresistivo.

O sensor de pressão piezorresistivo é uma célula de medição, que consiste de um substrato de silício, em que é acoplado um fino diafragma. Pequenos resistores são implantados neste

Figura 1: Esfigmomanômetro.

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substrato em forma de ponte de Wheatstone, cuja resistência alteram seu valor de acordo com o nível de pressão que é aplicado [2]. Assim, quando o sensor de pressão piezorresistivo é submetido a um nível de pressão, há uma pequena deflexão mecânica no diafragma, que ocasiona mudança nos valores de resistência elétrica da ponte, gerando um nível de tensão proporcional ao nível de pressão aplicado.

O sensor de pressão utilizado é o da série US9111 (US9111-006-D). Quando submetido a uma força (pressão) há uma variação no elemento sensor de pressão piezorresistivo, variando a resistência elétrica, desbalanceando a ponte resistiva (5 kΩ, cada elemento) gerando assim, um diferencial de tensão em sua saída que é proporcional a pressão aplicada, como ilustrado na figura 2 [9].

O sensor de pressão tem uma faixa de medição de 0-40 kPa (300 mmHg). Este sensor é ideal para aplicações que requerem baixa histerese, alta confiabilidade e estabilidade. É projetado para trabalhar com gases secos, não corrosivos tais como o ar e muitos gases industriais e laboratoriais comuns [4].

Com excitação de tensão constante de 5 V, o US9111 produziu uma saída de tensão que é linearmente proporcional à pressão aplicada, observou-se a 300 mmHg uma tensão de saída da ordem de E0 = 70 mV.

Circuitos de condicionamento de sinais externos foram utilizados para amplificar o sinal de saída e maximizar seu desempenho.

2.3 Condicionamento de sinais

Há um interesse que as características elétricas de um sensor estejam padronizadas para que se possam ser utilizados em sistemas de controle e automação. Deste modo, a maioria dos sensores necessita de condicionamento de sinal para que sejam adequados a níveis de tensão especificados, para que características fora do padrão sejam eliminadas, etc.

Verificou-se que a saída de tensão diferencial da ponte de Wheatstone é de baixa amplitude, na ordem de 70 mV (fundo de escala), necessitando ser amplificado. Desta forma, foi utilizado um amplificador de isolamento o AMC-1100 fabricado pela Texas Instrumens, como ilustrado na figura 3.

O AMC-1100 é um amplificador de precisão, com tensão de entrada de no máximo 250 mV, ganho fixo de 8, erro de offset menor do que 1,5 mV, Relação de Rejeição em Modo Comum (CRMM) 108 dB.

Em seguida, foi utilizado um circuito que realiza a operação matemática de subtração, o INA117, este circuito é ilustrado na figura 4. Este circuito permite que se obtenha na saída uma tensão igual à subtração entre os sinais de entrada, multiplicado pelo fator 1.Por fim, um amplificador na configuração não inversora foi utilizado para adequar a tensão proveniente do INA117 ao nível de tensão de entrada do conversor AD (analógico-digital). Um ajuste na tensão de offset foi utilizado para regular a saída de tensão para 0 V quando não há pressão no sistema.

Figura 2: Ponte de Wheatstone.

Figura 3 - Amplificador AMC1100.

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2.4 Aquisição de sinais

Após o condicionamento do sinal se faz necessário realizar a conversão do sinal que varia no tempo e em amplitude em um sinal digital com frequência e amplitude predefinidos. Para isso, foi utilizado um conversor AD, de 10 bits, embutido no Arduino. O Arduino é uma plataforma open-souce baseada em uma placa com microcontrolador ATmega que possui um ambiente de desenvolvimento de código aberto. Em seguida estes dados foram transmitidos ao computador, para processamento.

3. METODOLOGIA PARA CALIBRAÇÃO DO PROTÓTIPO

Observou-se inicialmente a temperatura ambiente de 22 °C. Com os dois sistemas conectados foi fornecido estímulos mecânicos a pera de insuflação até ajustar a pressão máxima de 280 mmHg, observando para tanto a leitura no equipamento analógico. Aguardou-se alguns instantes para averiguar a existência de vazamento nos sistemas conectados.

Em seguida, abrindo a válvula manual de exaustão e comprimindo a braçadeira garantiu-se o esvaziamento de ar do sistema. Fecha-se a válvula manual e aguarda-se alguns instantes observando alterações na resposta do conversor AD. Este ponto é o ponto mínimo de calibração 0 mmHg. Registra-se os respectivos valores correspondentes indicados pelo instrumento analógico e pelo protótipo.

A seguir, aplica-se estímulos mecânicos a pera de insuflação, nos pontos determinados de 20 em

20 mmHg até atingir o valor máximo de calibração 280 mmHg, registrando suas respectivas leituras.

Por fim, abre-se pausadamente a válvula manual de exaustão, aliviando continuamente a pressão do sistema, efetuando o registro dos valores de leitura do instrumento analógico e do conversor AD do protótipo, em pontos determinados de 20 em 20 mmHg até atingir novamente o ponto mínimo de pressão 0 mmHg. Com esses resultados foi possível determinar a equação de calibração do sistema, Equação 1.

4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL E RESULTADOS

A Figura 5 apresenta o esquemático completo do sistema de medição de pressão manométrica, ilustrando a junção das várias etapas citadas. Foram realizadas, n = 100, leituras para cada pressão manométrica atribuída ao Esfigmomanômetro analógico (EA). Realizou-se a aquisição dos valores digitais na faixa de 0 a 1023, por meio do conversor AD. A média aritmética ( 𝑀 ), o desvio-padrão experimental (𝑠( )) dos resultados estão apresentados na

Tabela 1.

Tabela 1. Resultados experimentais.

EA (mmHg)

𝑀 𝑠( ) ED (mmHg)

𝑢( ) (mmHg)

0,00 0,79 1,18 0,07 0,02 20,00 61,90 2,14 18,37 0,05 40,00 132,90 1,96 39,64 0,04 60,00 201,91 1,74 60,31 0,04 80,00 270,74 1,49 80,92 0,03 100,00 333,33 1,69 99,67 0,03 120,00 403,12 1,55 120,57 0,04 140,00 469,05 1,73 140,31 0,04 160,00 538,25 1,95 161,04 0,04 180,00 601,82 1,79 180,08 0,04 200,00 668,91 1,57 200,17 0,03 220,00 736,11 1,70 220,30 0,03 240,00 800,22 1,78 239,50 0,04 260,00 869,50 1,72 260,25 0,03 280,00 934,80 1,90 279,81 0,04

Figura 4: Amplificador de subtração INA117.

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De posse destes resultados foi possível determinar, por regressão linear, a equação de calibração do sistema, Equação 1:

𝐸𝐷 = 0,2995. 𝑚 − 0,1666 (1)

em que: m é a saída digital do conversor AD; e ED é o valor de pressão manométrica do Esfigmomanômetro digital. De posse da Equação 1 pôde-se determinar os valores de ED e o valor da incerteza-padrão da média do protótipo, vide Tabela 1. A maior incerteza de medição do protótipo foi de 𝑢( ) = 0,05 mmHg. Observa-se

que o valor da incerteza de medição não compromete a medição da pressão arterial de uma pessoa. Desta forma, este sistema pode ser utilizado para esse fim.

5. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Diante dos resultados apresentados, verifica-se que o sensor de pressão utilizado apresentou um comportamento linear para a faixa de medição utilizada com exatidão e baixa incerteza de medição. Pretende-se, como extensão deste projeto, construir uma câmara climatizada para avaliar o comportamento do sensor a variação de temperatura. A partir dos sinais gerados, pretende-se construir um Esfigmomanômetro digital baseado no US9111. Por fim, um aplicativo para monitoramento destes dados via Web poderá ser desenvolvido.

6. REFERÊNCIAS

[1] ISO GUM (2008), Avaliação de dados de Medição - Guia para a expressão de incerteza de medição.

[2] Balbinot, A, Brusamarello, V J. Instrumentação e fundamentos de medidas, Vol. 2. 2ª ed. Rio de Janeiro: LTC; 2011.

[3] Calibração de Instrumento de Medição Mostrador Analógico de Pressão. Disponível em: http://www.inmetro.gov.br/metcientifica/mecanica/pdf/manAnalogico.pdf. Acesso em 11 set. 2017.

[4] Calibração de Instrumento de Medição Mostrador Digital de Pressão. Disponível em: http://www.inmetro.gov.br/metcientifica/mecanica/pdf/manDigital.pdf. Acesso em 11 set. 2017.

[5] Instruções de uso: Esfigmomanômetro (medidor de pressão arterial) Solidor . Disponível em http://www.lamedid.com.br/lamedid-site/wp-content/uploads/2016/03/uso-esfigmomanometro-1.pdf. Acesso em 25 mar. 2017.

[6] INMETRO/DIMEL: Portaria de Aprovação de Modelo N.º 035. Disponível em: http://www.inmetro.gov.br/pam/pdf/PAM000041.pdf. Acesso em 11 set. 2017.

[7] INMETRO: Regulamento Técnico Metrológico. Disponível em: http://www.inmetro.gov.br/legislacao/rtac/pdf/RTAC000193.pdf. Acesso em 11 set. 2017.

[8] INMETRO: Vocabulário Internacional de Termos Fundamentais e Gerais de Metrologia. Inmetro. Rio de Janeiro, 1995.

[9] Unisense. Semiconductor Pressure Sensor: 9111.http://shoky.tw/UniSence/UniSence/ATM%20pressure%20package.pdf?Part=dow-THERMOPILESENSORS&Nbr=2&Category=0. Acesso em 01 mar. 2017.

Figura 5 – Circuito completo de aquisição do sinal de medição de pressão.