En este post abordaremos todo sobre el principio de funcionamiento de un sensor de presión así como también sobre todo acerca de sus aplicaciones.
¿Qué es un sensor de presión?
Lo que son los sensores de presión es que son un dispositivo capaz de medir la presión de gases o líquidos. En este contexto, la presión es la expresión de la fuerza necesaria para evitar la expansión de un fluido. Normalmente se expresa en términos de fuerza por unidad de superficie.¿Qué es el sensor de presión piezoeléctrico?
Los sensores de presión piezoeléctrica pueden clasificarse además según se mida la carga electrostática del cristal, su resistividad o su carga electrostática de frecuencia resonante. Dependiendo de qué fenómeno se use, el sensor de cristal puede llamarse electrostático, piezorresistivo o resonante.Cuando se aplica presión, fuerza o aceleración a un cristal de cuarzo, se desarrolla una carga a través del cristal que es proporcional a la fuerza aplicada.
La fundamental diferencia entre estos sensores de cristal y los dispositivos de fuerza estática, como los medidores de tensión, es que la señal eléctrica generada por el cristal decae rápidamente.Estos sensores hecen que su característica no sean adecuados para la medición de fuerzas o presiones estáticas, pero son útiles para mediciones dinámicas.
Cuando se aplica presión a un cristal, se deforma elásticamente. Esta deformación da como resultado un flujo de carga eléctrica (que dura un período de unos pocos segundos). La señal eléctrica resultante se puede medir como una indicación de la presión que se aplicó al cristal. Estos sensores no pueden detectar presiones estáticas, pero se utilizan para medir presiones cambiantes rápidamente como resultado de explosiones, explosiones, pulsaciones de presión (en motores de cohetes, motores, compresores) u otras fuentes de choque o vibración. Algunos de estos sensores resistentes pueden detectar eventos de presión que tienen "tiempos de subida" del orden de una millonésima de segundo, y se describen con más detalle más adelante en este capítulo.
La salida de dichos sensores de dinámica a menudo se expresa en unidades de presión "relativas" (como psir en lugar de psig), lo que hace que la medición se relacione con la condición inicial del cristal. El rango máximo de tales sensores es de 5,000 o 10,000 psir. Las características deseables de los sensores piezoeléctricos incluyen su construcción robusta, tamaño pequeño, alta velocidad y señal autogenerada. Por otro lado, son sensibles a las variaciones de temperatura y requieren cableado y amplificación especiales.
También requieren un cuidado especial durante la instalación: una consideración de este tipo es que su par de montaje debe duplicar el par al que fueron calibrados (generalmente 30 in.-lbs). Otro factor que puede perjudicar su rendimiento al disminuir la velocidad de respuesta es la profundidad de la cavidad vacía debajo de la cavidad. Cuanto más grande es la cavidad, más lenta es la respuesta. Por lo tanto, se recomienda que la profundidad de la cavidad se reduzca al mínimo y que no sea más profunda que el diámetro de la sonda (por lo general, alrededor de 0.25 pulgadas).
Presión electrostática
Los transductores son pequeños y resistentes. La fuerza sobre el cristal se puede aplicar longitudinalmente o en dirección transversal, y en cualquier caso causará una salida de alto voltaje proporcional a la fuerza aplicada.
La autogenerada señal de voltaje del cristal es útil cuando no es práctico o imposible proporcionar energía al sensor. Estos sensores piezoeléctricos también proporcionan respuestas de alta velocidad (30 kHz con picos de 100 kHz), lo que los hace ideales para medir fenómenos transitorios.
En este diseño, la compensación se proporciona mediante la adición de una masa sísmica y un "cristal de compensación" separado de polaridad inversa.
Ya que el curazo se muestra por el mineral común, estos transductores piezoeléctricos generalmente no son caros. La turmalina, una forma semipreciosa de cuarzo que se produce de forma natural, tiene una capacidad de respuesta inferior al microsegundo y es útil para medir transitorios muy rápidos. Al seleccionar el cristal correctamente, el diseñador puede garantizar una buena linealidad y una sensibilidad reducida a la temperatura.
Aunque los transductores piezoeléctricos no son capaces de medir presiones estáticas, se usan ampliamente para evaluar fenómenos de presión dinámica asociados con explosiones, pulsaciones o condiciones de presión dinámica en motores, motores de cohetes, compresores y otros dispositivos presurizados que experimentan cambios rápidos. Pueden detectar presiones entre 0,1 y 10,000 psig (0.7 KPa a 70 MPa). La precisión típica es de 1% de escala completa con un 1% adicional de escala completa por efecto de temperatura de 1000 °.
Los sensores de presión piezorresistivos funcionan en función de la dependencia de la resistividad del silicio bajo tensión. Similar a un medidor de tensión, un sensor piezorresistivo consiste en un diafragma al cual se unen cuatro pares de resistencias de silicio. A diferencia de la construcción de un sensor de galga extensiométrica, aquí el diafragma está hecho de silicio y las resistencias se difunden en el silicio durante el proceso de fabricación. El diafragma se completa al unir el diafragma a una oblea de silicio sin procesar.
Si el sensor se va a utilizar para medir la presión absoluta, el proceso de unión se realiza al vacío. Si se debe hacer referencia al sensores de presion absoluta, la cavidad detrás del diafragma se transporta a la atmósfera o a la fuente de presión de referencia. Cuando se usa en un sensor de proceso, el diafragma de silicona está protegido del contacto directo con los materiales del proceso por un diafragma protector lleno de fluido hecho de acero inoxidable o alguna otra aleación que cumpla con los requisitos de corrosión del servicio.
Los sensores de presión piezorresistivos son sensibles a los cambios de temperatura y deben compensarse con la temperatura. Los sensores piezorresistivos pueden utilizarse desde aproximadamente 3 psi hasta un máximo de aproximadamente 14,000 psi (21 KPa a 100 MPa).
Los sensores de presión piezoeléctricos resonantes miden la variación en la frecuencia de resonancia de los cristales de cuarzo bajo una fuerza aplicada. Para consistir el sensor a suspendido que oscila mientras está aislado de todas las demás fuerzas. El haz se mantiene en oscilación a su frecuencia de resonancia. Los cambios en la fuerza aplicada dan como resultado cambios de frecuencia de resonancia. La relación entre la presión aplicada P y la frecuencia de oscilación es
donde TO es el período de oscilación cuando la presión aplicada es cero, T es el período de oscilación cuando la presión aplicada es P, y A y B son constantes de calibración para el transductor .
Estos transductores se pueden usar para mediciones de presión absoluta con intervalos de 0 a 15 psia a 0 a 900 psia (0-100 kPa a 0-6 MPa) o para mediciones de presión diferencial con intervalos de 0 a 6 psid a 0 a 40 psid ( 0-40 kPa a 0-275 kPa).
Tipos de sensores de presion
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| sensores para medir presion |
Sensores de presión que se pueden montar en la placa de PC
Los transductores de presión que se pueden montar en la placa de PC son generalmente sensores de presión económicos y compactos diseñados para montarse en una placa de PC eléctrica e integrarse en otros productos.
Transductores de propósito general
Los transductores de presión de puente de wheatstone de propósito general son los más comunes ya que están diseñados para adaptarse al conjunto más amplio de aplicaciones.
Transmisores de presión industrial / de servicio pesado pesado
Los sensores de presión digital industrial / de servicio pesado cuentan con un gabinete mucho más resistente que otros sensores. Están diseñados para adaptarse a entornos industriales pesados. A menudo, también cuentan con una salida escalable de 4-20 mA que proporciona una inmunidad mucho mayor al ruido eléctrico, lo que no es infrecuente en entornos industriales.
Transductores de presión sumergibles
Los sensores de presión sumergibles están diseñados para realizar mediciones de nivel o profundidad de precisión en agua dulce o líquidos durante años en entornos industriales hostiles. También son ideales para el monitoreo ambiental de sitios de trabajo y ubicaciones de campo.
Transductor de presión diferencial
Los transductores de presión diferencial están diseñados para medir la presión diferente entre dos medios. Los medios pueden ser húmedos (líquidos) o secos (aire). Estos sensores a menudo se utilizan también en la medición de flujo.
Sensores de presión de alta estabilidad / alta precisión
La mayoría de los sensores de presión cuentan con una precisión de 0.25% de escala completa o superior. Los transductores de presión de alta estabilidad y alta precisión pueden ofrecer errores tan bajos como el 0.05% de la escala completa, según el modelo. Pero como son caros aparantemente que los transductores de propósito general, pueden ser la única opción si se requiere alta precisión.
Sensores de presión del diafragma de descarga
Con los transductores de presión del diafragma de descarga, el diafragma está al ras del proceso. Esto elimina una cavidad sobre el diafragma que podría recolectar materia líquida del proceso. En ciertas aplicaciones, esto puede ser muy indeseable. Estas aplicaciones incluyen el monitoreo de la presión de alimentos o líquidos que tienen una viscosidad muy alta.
Sensores de propósito especial
OMEGA ofrece una variedad de transductores de presión con características especiales.Los sensores de presión incluye diseños para medir la presión en temperaturas muy altas o bajas, transductores sumergibles, transductores de presión barométrica y sensores de presión con salida de comunicaciones digitales o salidas inalámbricas.
Sensores de presión inductiva / reluctiva
Varios diseños de transductores de presión iniciales se basaron en fenómenos magnéticos. Estos incluían el uso de inductancia, reluctancia y corrientes de Foucault. La inductancia es la propiedad de un circuito eléctrico que expresa la cantidad de fuerza electromotriz (fem) inducida por una tasa dada de cambio del flujo de corriente en el circuito. La reluctancia es la resistencia al flujo magnético, la oposición que ofrece una sustancia magnética al flujo magnético. En estos sensores, un cambio en la presión produce un movimiento, que a su vez cambia la inductancia o reluctancia de un circuito eléctrico. El LVDT funciona según el principio de relación de inductancia. En este diseño, tres bobinas están conectadas a un tubo aislante que contiene un núcleo de hierro, que se coloca dentro del tubo por el sensor de presión.
La corriente alterna se aplica a la bobina primaria en el centro, y si el núcleo también está centrado, se inducirán voltajes iguales en las bobinas secundarias (n. ° 1 y n. ° 2). Debido a que las bobinas están cableadas en serie, esta condición dará como resultado una salida de cero. A medida que la presión del proceso cambia y el núcleo se mueve, el diferencial en los voltajes inducidos en las bobinas secundarias es proporcional a la presión que causa el movimiento.
Los transductores de presión tipo LVDT están disponibles con una precisión de escala completa del 0,5% y con rangos de 0 a 30 psig (0 a 210 kPa) y 0 a 10 000 psig (0 a 70 MPa). Pueden detectar presiones absolutas, de calibre o diferenciales. Sus principales limitaciones son la susceptibilidad al desgaste mecánico y la sensibilidad a la vibración y la interferencia magnética.
La reluctancia es el equivalente de resistencia en un circuito magnético. Si un cambio en la presión cambia los huecos en las rutas de flujo magnético de los dos núcleos, la relación de las inductancias L1 / L2 estará relacionada con el cambio en la presión del proceso . Los transductores de presión basados en reluctancia tienen una señal de salida muy alta (del orden de 40 mV / voltio de excitación), pero deben ser excitados por el voltaje de CA. Son susceptibles a campos magnéticos dispersos y a efectos de temperatura de aproximadamente 2% por 1000 ° F. Debido a sus señales de salida muy altas, a menudo se usan en aplicaciones donde se desea alta resolución en un rango relativamente pequeño. Pueden cubrir rangos de presión desde 1 pulg. De agua hasta 10,000 psig (250 Pa a 70 MPa). La precisión típica es de 0.5% de escala completa.
Sensor de presion optico
Los transductores de presión óptica detectan los efectos de los movimientos de minutos debido a los cambios en la presión del proceso y generan una señal de salida electrónica correspondiente . Se utiliza un diodo emisor de luz (LED) como fuente de luz, y una paleta bloquea parte de la luz cuando es movida por el diafragma. A medida que la presión del proceso mueve la paleta entre el diodo fuente y el diodo de medición, la cantidad de luz infrarroja recibida cambia.Los sensores de presión óptica deben compensar el envejecimiento de la fuente de luz LED mediante un diodo de referencia, que nunca está bloqueado por la paleta. Este diodo de referencia también compensa la señal para la acumulación de suciedad u otros materiales de recubrimiento en las superficies ópticas. El transductor de presión óptica es inmune a los efectos de la temperatura, ya que los diodos de fuente, medición y referencia se ven afectados por los cambios de temperatura. Además, debido a que la cantidad de movimiento requerido para realizar la medición es muy pequeña (menos de 0,5 mm), los errores de histéresis y repetibilidad son casi cero.
Los transductores de presión ópticos no requieren mucho mantenimiento. Tienen una excelente estabilidad y están diseñados para mediciones de larga duración. Están disponibles con rangos de 5 psig a 60,000 psig (35 kPa a 413 MPa) y con una precisión de escala total de 0.1%.
Donde se utilizan los sensores de presión
Las aplicaciones industriales:La buena repetibilidad a menudo es más importante que la precisión absoluta. Si las presiones de proceso varían en un amplio rango, los sensores con buena linealidad y baja histéresis son la opción preferida.Estas variantes de temperatura en el ambiente y en el proceso también causan errores en las mediciones de presión, particularmente en la detección de presiones bajas y presiones diferenciales pequeñas. En tales aplicaciones, deben utilizarse compensadores de temperatura. La fuente de alimentación también disminuyen el rendimiento de los transductores de presión. La sensibilidad (S) de un transductor determina la cantidad de cambio que se produce en el voltaje de salida (VO) cuando cambia el voltaje de suministro (VS), con la presión medida (Pm) y la presión nominal del transductor (Pr) permaneciendo constante
En un sistema de medición de presión, el error total se puede calcular utilizando el método de la suma de la raíz cuadrada: el error total es igual a la raíz cuadrada de las sumas de todos los errores individuales al cuadrado.
Criterio de selección
Como funciona un sensor de presion o los transductores de presión generalmente generan señales de salida en el rango de milivoltios (tramos de 100 mV a 250 mV). Cuando se usan en transmisores, estos a menudo se amplifican al nivel de voltaje (1 a 5 V) y se convierten en bucles de corriente, generalmente de 4-20 mA dc.La caja del transductor debe seleccionarse para cumplir con la clasificación del área eléctrica y los requisitos de corrosión de la instalación en particular. La protección contra la corrosión debe tener en cuenta tanto las salpicaduras de líquidos corrosivos como la exposición a gases corrosivos en el exterior de la carcasa, así como la exposición del elemento sensor a materiales de proceso corrosivos. Los requisitos de corrosión de la instalación se cumplen mediante la selección de materiales resistentes a la corrosión, los recubrimientos y el uso de sellos químicos, que se describen más adelante en este capítulo.
Si la instalación se encuentra en un área donde pueden existir vapores explosivos, el sensor de presión y su fuente de alimentación deben ser adecuados para estos entornos. Esto generalmente se logra ya sea colocándolos dentro de carcasas purgadas o a prueba de explosiones, o usando diseños intrínsecamente seguros.
Probablemente la decisión más importante al seleccionar un transductor de presión es el rango. Hay que tener en cuenta dos consideraciones conflictivas: la precisión del instrumento y su protección contra la sobrepresión. Desde el punto de vista de la precisión, el rango de un transmisor debe ser bajo (presión de operación normal alrededor de la mitad del rango), de modo que se minimice el error, generalmente un porcentaje de la escala completa. Por otro lado, siempre se deben tener en cuenta las consecuencias de los daños por sobrepresión debidos a errores de funcionamiento, diseño defectuoso (martillo de agua) o falla para aislar el instrumento durante la prueba de presión y el arranque. Por lo tanto, es importante especificar no solo el rango requerido, sino también la cantidad de protección de sobrepresión necesaria.La mayoría de los instrumentos de presión están provistos de una protección contra sobrepresión del 50% al 200% del rango . Estos protectores satisfacen la mayoría de las aplicaciones. Donde se esperan sobrepresiones más altas y su naturaleza es temporal (picos de presión de corta duración, segundos o menos), se pueden instalar amortiguadores. Estos filtran los picos, pero hacen que la medida sea menos sensible. Si se espera que la sobrepresión excesiva sea de mayor duración, se puede proteger el sensor instalando una válvula de alivio de presión. Sin embargo, esto resultará en una pérdida de medición cuando la válvula de alivio esté abierta.
Si el transmisor funciona a temperaturas ambiente elevadas, la carcasa se puede enfriar eléctricamente (efecto Peltier) o con agua, o se puede reubicar en un área con aire acondicionado. Cuando se esperan temperaturas de congelación, el calentamiento por resistencia o el trazado de vapor deben usarse en combinación con aislamiento térmico.
Cuando hay altas temperaturas de proceso, se puede considerar el uso de varios métodos para aislar el instrumento de presión del proceso. Estos incluyen sellos de bucle, sifones, sellos químicos con tubo capilar para montaje remoto y purga.
