CP216 143-216-000-051(143-216-000-151) Transdutor de pressão piezoelétrico

O CP216 é um transdutor de pressão piezoelétrico de alto desempenho da linha de produtos VM, projetado especificamente para medição de pressão dinâmica em ambientes extremos. Utilizando materiais piezoelétricos artificiais especiais, este transdutor oferece estabilidade de temperatura excepcional e confiabilidade de longo prazo, tornando-o adequado para monitoramento de pressão dinâmica e testes de desenvolvimento em ambientes de alta temperatura e alta pressão. O CP216 pode medir diretamente mudanças dinâmicas de pressão em gases ou líquidos e converter sinais de pressão mecânica em sinais de carga, fornecendo dados de pressão precisos para diversas aplicações industriais.

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Principais recursos

1. Adaptabilidade Ambiental Extrema

O CP216 apresenta excelente tolerância à temperatura, permitindo operação estável em ambientes com temperaturas extremas:

• Faixa de temperatura operacional: -54°C a 470°C (operação contínua)

• Temperatura extrema de aplicação: -70°C a 520°C

• Faixa de temperatura do conector:

• Conector de alta temperatura do Vibro-Meter: -70°C a 650°C

• Conector LEMO: -55°C a 155°C

2. Capacidade de medição de alta pressão

O transdutor apresenta uma ampla faixa de medição de pressão:

• Faixa de medição dinâmica: 0,0005 bar a 250 bar

• Capacidade de sobrecarga: Até 350 bar (componentes estáticos + dinâmicos)

• Sensibilidade de pressão nominal: 200 pC/bar (13,8 pC/psi)

3. Amplas características de resposta de frequência

O CP216 oferece excelentes características de resposta de frequência:

• Faixa de frequência: 2 Hz a 15 kHz ±5%

• Frequência ressonante: > 80 kHz

• Corte de baixa frequência: determinado pela eletrônica usada

4. Projeto Estrutural Robusto

• Material da caixa: liga NIMONIC 90, soldagem totalmente hermética

• Material do cabo: Liga INCONEL 600

• Isolamento Interno: Design totalmente isolado

• Resistência à radiação: Capaz de suportar radiação gama e de nêutrons

5. Certificação à prova de explosão

O CP216 está disponível em versões certificadas à prova de explosão para ambientes perigosos:

• Tipo à prova de explosão: Segurança intrínseca Ex ib

• Padrões de certificação: ATEX, IECEx e outros padrões internacionais

• Zonas aplicáveis: áreas perigosas da Zona 1/2

6. Múltiplas opções de configuração

• Tipo de cabo: Cabo com isolamento mineral (MI), condutores duplos

• Opções de conector: conector LEMO ou conector de alta temperatura Vibro-Meter

• Comprimentos de cabo: 0,5m, 1m, 2m, 3m, 5m ou comprimentos personalizados

Princípio de funcionamento

Fundamentos do efeito piezoelétrico

O princípio de funcionamento central do CP216 é baseado no efeito piezoelétrico, um fenômeno físico único onde certos materiais geram carga elétrica quando submetidos a estresse mecânico. Este efeito é reversível: quando um campo elétrico é aplicado a materiais piezoelétricos, eles sofrem deformação mecânica. Em aplicações de medição de pressão, utilizamos o efeito piezoelétrico direto – convertendo energia mecânica (pressão) em energia elétrica (carga).

O sensor emprega um material piezoelétrico artificial especial que foi cuidadosamente projetado e processado para fornecer excelente estabilidade de temperatura e estabilidade a longo prazo. Comparados aos materiais piezoelétricos naturais, os materiais piezoelétricos artificiais oferecem desempenho mais consistente e melhor adaptabilidade ambiental.

Estrutura do Elemento Sensorial

O CP216 emprega um design de modo de compressão onde o elemento sensor central consiste em uma pilha de cristais piezoelétricos usinados com precisão. Esta pilha compreende múltiplos discos piezoelétricos dispostos em série mecânica e configuração elétrica paralela. Este design oferece diversas vantagens:

1. Sensibilidade aprimorada: Vários discos aumentam a capacidade de saída de carga

2. Estabilidade aprimorada: a estrutura simétrica reduz os efeitos do gradiente de temperatura

3. Melhor Linearidade: A distribuição uniforme da pressão garante uma melhor resposta linear

Os discos piezoelétricos são montados com precisão dentro de uma caixa metálica e entram em contato com o meio medido através de um diafragma fino. Quando a pressão atua sobre o diafragma, ela é transmitida à pilha piezoelétrica, causando deformação mínima.

Mecanismo de geração de carga

Quando os materiais piezoelétricos sofrem estresse mecânico, sua estrutura cristalina se deforma, causando alterações nos momentos dipolares elétricos internos, o que gera carga na superfície do material. Esta carga é proporcional à pressão aplicada:

Q = d × F

Onde:

• Q é a carga gerada (em pC)

• d é a constante piezoelétrica (propriedade do material)

• F é a força aplicada (proporcional à pressão)

Para o CP216, sua sensibilidade nominal é de 200 pC/bar, o que significa que cada bar de mudança de pressão produz 200 pC de saída de carga.

Características de saída de sinal

O CP216 emprega um modo de saída de carga, que é um método de saída de sinal de alta impedância. Essa abordagem de saída possui vários recursos importantes:

1. Operação Passiva: O sensor não requer fonte de alimentação externa, simplificando o projeto do sistema

2. Imunidade ao Ruído: Sinais de alta impedância são relativamente insensíveis à interferência eletromagnética

3. Estabilidade a longo prazo: Nenhum componente eletrônico ativo garante confiabilidade

O sensor emite um sinal de carga relacionado à taxa de mudança de pressão, tornando-o particularmente adequado para medição de pressão dinâmica em vez de medição de pressão estática.

Mecanismo de compensação de temperatura

Para manter um desempenho estável em uma ampla faixa de temperatura, o CP216 incorpora diversas técnicas de compensação de temperatura:

1. Seleção de materiais: Utiliza materiais piezoelétricos especiais com excelente estabilidade de temperatura

2. Design Simétrico: Elementos de compensação dispostos simetricamente para reduzir os efeitos do gradiente de temperatura

3. Correspondência de Expansão Térmica: Todos os componentes têm coeficientes de expansão térmica correspondentes

As características de temperatura do sensor são cuidadosamente otimizadas para manter um desempenho previsível em toda a faixa de temperatura extrema, de -70°C a 520°C. Curvas típicas de resposta à temperatura mostram que as mudanças de sensibilidade com a temperatura apresentam boas características lineares, facilitando a compensação de temperatura.

Características de resposta de frequência

As características de resposta de frequência do CP216 são determinadas tanto pela sua estrutura mecânica quanto pelas propriedades piezoelétricas:

1. Resposta de baixa frequência: corte de baixa frequência determinado pela resistência de vazamento do sensor e subsequente impedância de entrada do amplificador de carga

2. Resposta de alta frequência: corte de alta frequência determinado pela frequência ressonante mecânica do sensor

3. Região de resposta plana: fornece resposta plana de ±5% na faixa de 2 Hz a 15 kHz

A frequência ressonante do sensor excede 80 kHz, garantindo margem suficiente de fase e amplitude dentro da faixa de frequência operacional.

Considerações sobre instalação e correspondência

A instalação adequada é crucial para o desempenho do sensor:

1. Torque de instalação: Requer torque de instalação preciso (20 N·m) para garantir um bom acoplamento mecânico

2. Projeto de vedação: Utiliza vedações de pressão dedicadas para evitar vazamentos médios

3. Isolamento térmico: Pode exigir medidas de isolamento térmico em aplicações de alta temperatura

O sensor deve ser usado com condicionadores de sinal apropriados (como IPC704), onde amplificadores de carga convertem sinais de carga de alta impedância em sinais de tensão ou corrente de baixa impedância para transmissão e processamento de longa distância.

Projeto de Adaptabilidade Ambiental

O design do CP216 considera vários fatores ambientais extremos:

1. Resistência à vibração: O design estrutural robusto suporta aceleração de choque de 2.000 g

2. Resistência à corrosão: utiliza materiais de liga avançados para resistir a meios corrosivos

3. Resistência à radiação: O design especial permite tolerância a ambientes de alta radiação

Calibração e Estabilidade

O sensor passa por calibração dinâmica na fábrica (pico de 1 bar, 2 Hz, +23°C) e, devido à sua estabilidade excepcional, normalmente não requer recalibração subsequente. A estabilidade a longo prazo depende principalmente das características de envelhecimento do material piezoelétrico, e este material piezoelétrico artificial passa por tratamento especial para atingir taxas de envelhecimento extremamente baixas.

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Áreas de aplicação

1. Aeroespacial

• Monitoramento da pressão da câmara de combustão do motor

• Medição de pressão dinâmica de turbomáquinas

• Monitoramento de pressão aerodinâmica em testes de voo

2. Indústria Energética

• Monitoramento de combustão de turbinas a gás

• Análise de flutuação de pressão de turbina a vapor

• Sistemas de monitoramento de segurança de usinas nucleares

3. Processos Industriais

• Medição da pressão de pulsação do compressor

• Análise de flutuação de pressão do sistema de bomba

• Monitoramento do processo de combustão

4. Testes de Pesquisa e Desenvolvimento

• Teste de desenvolvimento de motor

• Pesquisa em dinâmica de fluidos

• Medição de explosões e ondas de choque

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Equipamento de Apoio

1. Condicionadores de sinal

• IPC704: Condicionador de sinal de carga dedicado

• Função: Converte sinais de carga em sinais padrão de tensão ou corrente

2. Acessórios de montagem

• MA104: Adaptador de montagem para versão de conector LEMO

• MA126: Adaptador de montagem para versão de conector de alta temperatura

3. Conjuntos de cabos

• EC153, EC222, EC119: Vários conjuntos de cabos dedicados

• Características: Resistência a altas temperaturas, imunidade a ruídos

4. Equipamento de isolamento

• GSI127: Unidade de separação galvânica para isolamento de sinal

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Vantagens Técnicas

1. Confiabilidade excepcional

O design passivo baseado em tecnologia piezoelétrica e a construção totalmente soldada garantem confiabilidade, adequada para aplicações de monitoramento contínuo de longo prazo.

2. Ampla Adaptabilidade Ambiental

A ampla faixa de temperatura operacional, de temperaturas extremamente baixas a extremamente altas, permite a adaptação a vários ambientes agressivos.

3. Medição dinâmica precisa

Excelentes características de resposta de frequência e alta sensibilidade permitem a captura de mudanças rápidas de pressão e flutuações mínimas de pressão.

4. Fácil integração

Interfaces de saída padronizadas e múltiplas opções de instalação facilitam a integração em vários sistemas de medição.