Sensores Piezoelétricos

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UNIVERSIDADE DA REGIÃO DE JOINVILLE – UNIVILLE
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA E TECNOLOGIA
SENSOR PIEZOELÉTRICO
EDWARD MARQUES DE SOUZA
LUCAS KRUL
NICOLAS MAGIONI
PROFESSOR MARCO AURÉLIO SCHULZ
Mecânica dos Fluidos
Joinville-SC
2016
EDWARD MARQUES DE SOUZA
LUCAS KRUL
NICOLAS MAGIONI
SENSOR PIEZOELÉTRICO
Trabalho apresentado ao curso de Engenharia Química da Universidade da Região de Joinville – Univille – como requisito para obtenção de nota, sob orientação do Professor Marco Aurélio Schulz.
Joinville-SC
2016
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO	4
1 SENSOR PIEZOELÉTRICO	5
1.1 Funcionamento	7
1.2 Aplicações	7
1.3 Equação para cálculo de vazão	8
1.4 Modelos de medidores	9
1.5 Vantagens e desvantagens	10
1.6 Limites de aplicação	11
1.7 Fabricantes	12
CONCLUSÃO	13
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS	14
INTRODUÇÃO
Um sensor piezelétrico é um dispositivo que mede a pressão ou tensão utilizando a piezeletricidade, que é um fenômeno onde certos materiais podem gerar uma corrente elétrica, quando deformado, ou seja, a piezeletricidade é a capacidade que alguns cristais possuem de gerarem corrente elétrica em resposta a uma pressão mecânica exercida sobre o mesmo. O termo deriva da palavra grega “piezein”, que quer dizer espremer ou pressionar. 
Descoberto pelos irmãos Pierre e Jacques Curie na França, em 1880, o efeito piezoelétrico é apresentado em cristais. Os irmãos Curie, no entanto, não previram o efeito piezoelétrico inverso. O efeito inverso foi matematicamente deduzido de princípios fundamentais da termodinâmica por Gabriel Lippmann em 1881. Os Curie imediatamente confirmaram a existência do efeito inverso, o que evidenciou de forma quantitativa a reversibilidade completa de eletromecânico para as deformações em cristais piezoelétricos.
Este transdutor de pressão tem aplicações na indústria do petróleo e gás. Também tem aplicações em microfones, quando a força exercida por ondas de som é convertida em sinais elétricos e gravado ou amplificado. Além de poder ser utilizado em telas sensíveis ao toque em celulares e tablets, e também em aplicações em pesquisa científica. 
1 SENSOR PIEZOELÉTRICO
Os transdutores piezelétricos, também chamados transdutores de pressão de estado sólido, baseiam-se na geração de um potencial elétrico é gerado em uma substância cristalina quando ela é submetida a pressão mecânica. O fenômeno é chamado de efeito piezelétrico, e foi descoberto pelos irmãos Curie em 1880. (ÇENGEL et al, 2007).
O termo deriva da palavra grega “piezein”, que quer dizer espremer ou pressionar. O efeito piezoelétrico é reversível, pois os cristais deste tipo, quando são sujeitos a uma tensão externa, são capazes de sofrer variações em sua forma. A deformação gira em torno de 0,1% da dimensão original nestes tipos de cristais, estes dispositivos possuem algumas aplicações de grande importância, tais como a produção e detecção de sons, a geração de altas tensões e também a geração de uma frequência eletrônica (MECÂNICA INDUSTRIAL).
1.1 Funcionamento
Os transdutores de pressão utilizam diversas técnicas para converter os efeitos da pressão em eletricidade, como uma variação de voltagem, capacitância ou resistência. Eles são menores, mais rápidos e mais sensíveis, com exatidão e confiabilidade de dados superiores aos seus equivalentes mecânicos (MUNSON et al, 2013).
De acordo com o site Mecânica Industrial, o sensor piezoelétrico pode converter a força exercida sobre ele por compressão, impacto de aceleração, ou vibração em um sinal elétrico cuja força é proporcional à intensidade da força. O sinal elétrico gerado por sensores piezoelétricos cai rapidamente após a força ser aplicada pela primeira vez. O que significa que eles não são ideais para medir uma força estática, porém, eles são excelentes em medir as forças de curtíssima duração, como forças de impacto, por exemplo.
Há certo número de materiais que ocorrem naturalmente e que demonstram este efeito, principalmente o quartzo e a turmalina. Os materiais piezelétricos podem ser sintetizados industrialmente. Os materiais piezoelétricos sintéticos podem ser materiais de cristal único, semelhantes aos cristais naturais, mas com propriedades melhoradas, tais como cristais de fosfato de gálio, e materiais piezocerâmicos tal como o titanato de zirconato de chumbo (PZT).
1.2 Aplicações
A rigidez elevada do cristal único e dos sensores piezocerâmicos significa que muitas vezes eles possuem propriedades físicas semelhantes aos materiais, tais como aço, a partir do qual as ferramentas e máquinas são produzidas. Os sensores podem, por conseguinte, ser incorporados às ferramentas e máquinas, como parte da sua estrutura, de modo que eles possam ser construídos em conjunto com os sensores. 
Além disso de acordo com Mecânica Industrial e Manutenção e Suprimentos, os sensores piezoelétricos podem ter as seguintes aplicações:
Pesquisa Científica;
Indústrias de mineração;
Indústrias Petrolíferas;
Telas sensíveis ao toque de tablets e celulares;
Indústrias Naval;
1.3 Equação para cálculo de vazão 
1.4 Modelos de medidores
1.5 Vantagens e desvantagens
De acordo com Mecânica Industrial e Manutenção e Suprimentos, os sensores piezoelétricos apresentam as seguintes vantagens e desvantagens:
Vantagens
Um transdutor de alta pressão é necessário, com uma gama de alta temperatura de operação devido ao ambiente extremo. 
São excelentes em medir forças de impacto.
O sensor piezoelétrico é muito robusto, sendo capaz de lidar com fortes forças de impacto e funcionar eficazmente a temperaturas elevadas, eles são muito utilizados em muitas aplicações industriais para a medição de pressão e tensão sobre diversos materiais. Eles podem também ser utilizados para medir a aceleração, ou seja, quando um objeto acelera ele exerce uma força na direção oposta, que pode ser medido por um sensor.
Desvantagens
O cristal único e sensores piezocerâmicos são muito rígidos e possuem uma frequência natural muito alta. A frequência natural de um sensor impõe limitações nas suas utilizações, como erros de medição, que poderão ocorrer quando a frequência da vibração a ser medida é próxima daquela do sensor. Um sensor piezoelétrico de alta frequência natural permite que ele possa medir com precisão as frequências muito elevadas, no entanto, isto significa que ele pode ser utilizado para detectar padrões de vibração anormais que podem ser causados por defeitos nos materiais e componentes.
Não são adequados para medir forças estáticas.
1.6 Limites de aplicação
1.7 Fabricantes
CONCLUSÃO
O medidor de vazão Calha Parshall é um dispositivo tradicional para medição de vazão em canais abertos de líquidos fluindo por gravidade. Consiste, basicamente, numa seção convergente, numa seção estrangulada – “garganta” – e uma seção divergente, dispostas em planta. O fundo da unidade é em nível na seção convergente, em declive na “garganta” e em aclive na seção divergente.
A Calha Parshall tem uma ótima aplicação na mistura de reagentes para o tratamento de efluentes, ela atua como um misturador, funcionando apenas com a força da gravidade. Além disso é utilizada nas indústrias químicas, de mineração, petrolíferas, alimentícias e de pescados.
As principais vantagens deste medidor são seu baixo custo de fabricação, sua leveza, sua capacidade de medir vazão com sólidos no efluente, e também a não formação de depósitos no fundo do equipamento, além da sua, já citada, habilidade de mistura.
É muito importante, para quem vai trabalhar no ramo da engenharia química, sair do meio acadêmico com um conhecimento acerca dos equipamentos utilizados na sua área de atuação. Medidores de vazão são largamente utilizados nas indústrias, e um estudo sobre eles é muito útil.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ÇENGEL, Yunus A.; CIMBALA, John M.Mecânica dos fluidos: fundamentos e aplicações. São Paulo, SP: McGraw-Hill, 2007. 816 p.
MUNSON, Bruce Roy; YOUNG, Donald F.; OKIISHI, Theodore Hisao. Fundamentos da mecânica dos fluidos. 4. ed. São Paulo, SP: E. Blücher, 2013. 571 p.
MANUTENÇÃO E SUPRIMENTOS. Usos de transdutores de pressão na indústria de petróleo Disponível em:< http://www.manutencaoesuprimentos.com.br/conteudo/5646-usos-de-transdutores-de-pressao-na-industria-de-petroleo/>. Acesso em: 17 maio. 2016.
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO. Instrumentação e Técnicas de Medidas: Sensores Termoelétricos e Piezoelétricos. Disponível em:<http://www.peb.ufrj.br/cursos/eel710/EEL710_Modulo10.pdf>. Acesso em: 17 maio. 2016.
MECÂNICA INDUSTRIAL. O que é um sensor piezoelétrico. Disponível em: <http://www.mecanicaindustrial.com.br/634-o-que-e-um-sensor-piezoeletrico/ >. Acesso em: 17 maio. 2016.
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