Estava meditando sobre o tema da próxima matéria para o jornal Oficina Brasil quando fui chamado ao telefone para tirar a dúvida de um leitor a respeito dos dados mostrados em um dos últimos livros publicados pela Ciclo.
Dizia o leitor que este gráfico está totalmente errado e que dada a sua experiência prática ele havia obtido algo totalmente diferente com o mesmo sensor, uma bomba de vácuo e um voltímetro. Tentei reproduzir o resultado obtido na tabela abaixo:
É lógico que à primeira vista um resultado coloca o outro em xeque e um dos dois está errado, pois um gráfico aparece na condição ascendente e outro na descendente. Porém com um olhar um pouco mais atento chegaremos à conclusão que os dois estão corretos e que o primeiro transmite uma informação a mais e é por isso que optei pela publicação do gráfico 1, embora seja possível adotar um complemento de informação que venha a facilitar o teste do sensor de pressão absoluta.
Tabela e Gráfico 1
Tabela e Gráfico 2
Primeiro é preciso saber que, embora o ar seja extremamente leve, não é desprovido de peso. Isso significa que a atmosfera exerce uma pressão sobre a superfície terrestre e que apesar de existirem diversos fatores (temperatura, densidade, composição etc.) é a altitude dessa superfície em relação ao nível do mar o principal fator de influência. O raciocínio é lógico: quanto mais alta estiver esta superfície, menor será a distância entre esta e a camada mais distante da atmosfera terrestre e, logicamente, a pressão exercida por esta "coluna" de ar sobre uma área desta superfície será menor.
Ao nível do mar a pressão atmosférica possui um valor muito conhecido e apresentado em diversas unidades de medida de pressão: 1 atm = 760 mmHg = 101,325 kPa = 1,01325 bar = 0,967842 kgf/cm² = 14,696 psi. O comportamento da pressão atmosférica padrão até o nível de 3.000m de altitude possui um comportamento praticamente linear e de forma simplificada podemos assumir que a pressão atmosférica diminui 1,04kPa para cada 100 metros de elevação (isso representa aproximadamente uma redução de 7,8 mmHg para cada 100 metros de elevação).
Só esse conceito não basta, e nós também precisamos entender a diferença entre pressões instrumentais e absolutas. Vou buscar um trecho do livro Introdução à Mecânica dos Fluídos escrito por Fox & McDonald em 1973, traduzido para o português por Roberto F. Mezzomo e publicado pela Editora Guanabara Dois em 1981. Em sua segunda edição, página 51, nos diz: "Valores de pressão devem ser dados relativos a um nível de pressão de referência. Se o nível de referência for um vácuo, as pressões são chamadas absolutas, conforme mostrado na figura 3 (numeração adaptada a esta matéria). Em sua maioria, os manômetros de pressão na verdade lêem uma diferença de pressão entre o nível de pressão medido e o nível ambiental (normalmente, a pressão atmosférica). Níveis de pressão medidos com relação à pressão atmosférica são denominados pressões instrumentais ou manométricas."
Figura 3
Em outras palavras: estaremos sempre medindo diferenças de pressão. Se o referencial adotado for o vácuo pleno então temos uma pressão absoluta e se o referencial for a pressão atmosférica local então temos uma pressão manométrica. Veja que o valor que define a pressão atmosférica ao nível do mar em 101,325 kPa é um valor de pressão absoluta, pois a referência de zero é o vácuo.
Já o funcionamento do sensor de pressão é ilustrado pela figura 4.
Figura 4
R1 e R2 são extensômetros que alteram sua resistência elétrica com a deformação da membrana "m". Deformação esta provocada pela diferença de pressão entre "P" e o vácuo.
Sendo a câmara de comparação o vácuo, então se trata de um sensor de pressão absoluta.
A solução de se utilizar o vácuo como referência e não a pressão atmosférica local é particularmente interessante para o funcionamento do motor. Veículos carburados tinham a pressão ambiente como referência e com isso tinham o comportamento alterado quando regulados em uma cidade ao nível do mar e posteriormente se deslocavam para uma cidade serrana e vice-versa. Por outro lado, tendo o vácuo como referência, essa diferença de pressão provocada pela diferença de altura entre as localidades são automaticamente corrigidas, o que torna o controle muito mais eficiente e confiável.
Voltemos ao nosso caso e refaçamos a figura 3 aplicada ao nosso exemplo: Sabemos que estamos num nível elevado; que o nível de pressão está abaixo da pressão atmosférica porque estamos utilizando uma bomba de vácuo; que o manômetro da bomba de vácuo tem como referência a pressão atmosférica local; e que o sensor é de pressão absoluta. Veja então a figura 5.
Figura 5
Analisemos o teste com a bomba de vácuo em três diferentes situações:
1 - Teste ao nível do mar; altitude igual a zero; pressão atmosférica igual a 760mmHg;
2 - Na condição de teste dos resultados apresentados na tabela 2;
3 - Teste em uma localidade a 1.000m acima do nível do mar. Uma queda de 7,8mmHg para cada 100 metros de elevação representa uma queda de 78mmHg em 1.000 metros, o que nos leva a uma pressão atmosférica local de 682mmHg.
Os resultados aproximados em cada caso são mostrados na tabela e gráfico 6.
Ao obter resultados diferentes para localidades diferentes, preferi montar a tabela em função da pressão absoluta e não da pressão indicada no manômetro da bomba de vácuo. Vejamos então, como os gráficos 1 e 2 apresentados no início da matéria estão corretos.
Na tabela 1 temos a seguinte equação: P(bar) = 0,228 * U + 0,131;
Na tabela 2 temos a seguinte informação: U = 3,7V quando o manômetro da bomba de vácuo indica zero;
Substituindo uma na outra: P(bar) = 0,228 * 3,7 + 0,131 = 0,9746 bar = 731mmHg que é a pressão atmosférica local.
Quando o meu amigo puxou 500mmHg na bomba de vácuo, ele produziu uma pressão de 731 - 500 = 231mmHg e obteve uma tensão de 0,7 volt. Por outro lado, se você conferir a tabela 1, existe um valor de tensão para uma pressão absoluta de 225mmHg que produz uma tensão de 0,74V. Resultados muito próximos se levarmos em consideração que uma infinidade de fontes de erros foram desprezadas neste raciocínio.
E qual a sugestão que fica para complementar o teste? Por esta análise ficamos sabendo que a tensão inicial indicada pelo sensor de pressão no momento do nosso teste é variável e depende da altitude onde nos encontramos, mas a partir daí as variações são constantes e no nosso caso poderíamos assumir algo como um decréscimo de 0,58V na tensão inicial para cada 100mmHg aplicados na bomba de vácuo. E embora a equação apresentada juntamente com o gráfico 1 já nos diga exatamente qual é essa variação, trata-se de um ajuste interessante que facilitaria a verificação dos valores de teste de um sensor de pressão.
Matéria da edição Nº217 - Março de 2009