Sensores de presión, ¿cuáles son los diferentes tipos?

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Existe una gran variedad de diseños de transductores de presión disponibles para su uso en numerosas aplicaciones industriales o de laboratorio. Entre ellos se incluyen el transductor de presión industrial, el transductor de presión de líquidos y el transductor de micropresión, entre otros.

Los transductores de presión pueden tener diferentes formas y tamaños, pero la mayoría de ellos tienen un centro cilíndrico que alberga el diafragma y la cámara de medición de presión, un puerto de presión en un extremo que suele ser roscado, atornillado, con espiga o abierto, y en el otro extremo una ubicación para la transmisión de la señal.

Los parámetros mecánicos para la medición de la presión se conocen desde hace siglos. Los manómetros de tubo en U fueron uno de los primeros indicadores de presión. Originalmente, estos tubos eran de vidrio y se les añadían escalas según fuera necesario. Pero los manómetros son grandes, pesados y no se adaptan bien a la integración en bucles de control automático. Por lo tanto, los manómetros suelen encontrarse en laboratorios o se utilizan como indicadores locales. Dependiendo de la presión de referencia utilizada, pueden indicar la presión absoluta, manométrica y diferencial.

Los transductores de presión diferencial se utilizan a menudo en la medición de caudal, donde están diseñados para medir la presión diferencial a través de un venturi, orificio u otro tipo de elemento primario. La diferencia de presión detectada está relacionada con la velocidad del flujo y, por lo tanto, con el caudal volumétrico. Muchas características de los transductores de presión modernos provienen del transductor de presión diferencial. De hecho, se podría considerar que el transmisor de presión diferencial es el modelo para todos los transductores de presión.

La presión «manométrica» se define en relación con las condiciones atmosféricas. En aquellas partes del mundo que siguen utilizando unidades imperiales, la presión manométrica se indica añadiendo una «g» al descriptor de las unidades. Por lo tanto, la unidad de presión «libras por pulgada cuadrada manométrica» se abrevia psig. Cuando se utilizan unidades del SI, es correcto añadir «manométrica» a las unidades utilizadas, como «Pa manométrica». Cuando la medición de la presión se realiza en unidades absolutas, la referencia es el vacío total y la abreviatura de «libras por pulgada cuadrada absoluta» es psia.
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A menudo, los términos manómetro, sensor, transductor y transmisor se utilizan indistintamente. El término manómetro suele referirse a un indicador autónomo que convierte la presión detectada en el proceso en el movimiento mecánico de una aguja. Un transductor de presión puede combinar el elemento sensor de un manómetro con un convertidor mecánico-eléctrico o mecánico-neumático y una fuente de alimentación. Un transmisor de presión es un paquete de medición de presión estandarizado que consta de tres componentes básicos: un transductor de presión, su fuente de alimentación y un acondicionador/retransmisor de señal que convierte la señal del transductor en una salida estandarizada.
Los transmisores de presión pueden enviar la medición de presión de interés utilizando una señal neumática analógica (3-15 psig), electrónica analógica (de 4 a 20 mA cc) o electrónica digital. Cuando los transductores están conectados directamente a sistemas de adquisición de datos digitales y se encuentran a cierta distancia del hardware de adquisición de datos, se prefieren las señales de alto voltaje de salida. Estas señales deben protegerse contra las interferencias electromagnéticas y de radiofrecuencia (EMI/RFI) cuando recorren largas distancias.
También es necesario definir los términos relacionados con el rendimiento de los transductores de presión. La precisión del transductor se refiere al grado de conformidad del valor de presión medido con un estándar aceptado. Por lo general, se expresa como un porcentaje de la escala completa o de la lectura real del instrumento. En el caso de los dispositivos de porcentaje de escala completa, el error aumenta a medida que disminuye el valor absoluto de la medición. La repetibilidad se refiere a la proximidad de la concordancia entre varias mediciones de presión consecutivas de la misma variable. La linealidad es una medida de la capacidad del transductor para aumentar linealmente su salida al aumentar la presión. El error de histéresis describe el fenómeno por el cual la misma presión de proceso da lugar a diferentes señales de salida dependiendo de si la presión se aproxima desde una presión más baja o más alta.

De mecánico a electrónico

Los primeros manómetros utilizaban elementos flexibles como sensores. Sellado: El otro extremo está sellado y conectado al mecanismo del indicador o del transmisor. Para aumentar su sensibilidad, los elementos del tubo Bourdon pueden extenderse en espirales o bobinas helicoidales (imágenes 3-1B y 3-1C). Esto aumenta su longitud angular efectiva y, por lo tanto, aumenta el movimiento en su extremo, lo que a su vez aumenta la resolución del transductor.

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La familia de elementos sensores de presión flexibles también incluye los fuelles y los diafragmas (Figura 3-2). Los diafragmas son populares porque requieren menos espacio y porque el movimiento (o fuerza) que producen es suficiente para hacer funcionar los transductores electrónicos. También están disponibles en una amplia gama de materiales para la medición de la presión en aplicaciones de servicio corrosivo.
Después de la década de 1920, los sistemas de control automático evolucionaron y, en la década de 1950, los transmisores de presión y las salas de control centralizadas eran algo habitual. Por lo tanto, el extremo libre de un tubo Bourdon (fuelle o diafragma) ya no tenía que estar conectado a un indicador local, sino que servía para convertir la presión del proceso en una señal transmitida (eléctrica o neumática). Al principio, el enlace mecánico estaba conectado a un transmisor de presión neumático, que normalmente generaba una señal de salida de 3-15 psig para su transmisión a distancias de varios cientos de pies, o incluso más lejos con repetidores amplificadores. Más tarde, a medida que la electrónica de estado sólido maduró y las distancias de transmisión aumentaron, los transmisores de presión se convirtieron en electrónicos. Los primeros diseños generaban salidas de tensión continua (10-50 mV; 1-5 V; 0-100 mV), pero más tarde se estandarizaron como señales de salida de corriente continua de 4-20 mA.
Debido a las limitaciones inherentes a los dispositivos mecánicos de equilibrio de movimiento, se introdujeron primero los transductores de fuerza y más tarde los transductores de presión de estado sólido. Los primeros extensómetros de alambre sin unión se introdujeron a finales de la década de 1930. En este dispositivo, el filamento de alambre se fija a una estructura sometida a tensión y se mide la resistencia del alambre tensado. Este diseño era intrínsecamente inestable y no podía mantener la calibración. También había problemas con la degradación de la unión entre el filamento de alambre y el diafragma, y con la histéresis causada por la tensión termoelástica en el alambre.
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La búsqueda de un sensor mejorado para las mediciones de deformación y presión dio lugar primero a la introducción de galgas extensométricas de película fina adherida y, finalmente, a las galgas extensométricas de semiconductores difusos. Estas se desarrollaron inicialmente para la industria de la automoción, pero poco después se trasladaron al campo general de la medición y transmisión de presión en todas las aplicaciones industriales y científicas. Los sensores de presión de semiconductores son sensibles, económicos, precisos y con repetibilidad. (Para obtener más detalles sobre el funcionamiento de los medidores de deformación, consulte el capítulo 2).
Muchos transmisores de presión neumáticos siguen en funcionamiento, especialmente en la industria petroquímica. Sin embargo, a medida que los sistemas de control se centralizan y se informatizan cada vez más, estos dispositivos han sido sustituidos por transmisores electrónicos analógicos y, más recientemente, por transmisores electrónicos digitales.

Tipos de transductores
breve-descripción-imagen La figura 3 ofrece una orientación general al científico o ingeniero que se enfrente a la tarea de seleccionar un detector de presión entre los muchos diseños disponibles. Esta tabla muestra los rangos de vacío y medición de presión que pueden detectar los distintos tipos de sensores y los tipos de referencias internas (vacío o presión atmosférica) utilizadas, si las hay.
Dado que los transductores electrónicos de presión de este tipo son de gran utilidad para aplicaciones industriales y de laboratorio de adquisición de datos y control, en esta sección se explican con más detalle los principios de funcionamiento y las ventajas e inconvenientes de cada uno de ellos.

Tecnologías en transductores de presión

A continuación se ofrecen breves descripciones de los diferentes tipos de transductores de presión disponibles, incluidos los principios de funcionamiento y las ventajas e inconvenientes de cada uno.

Galgas extensométricas

Los transductores de presión de tipo galga extensométrica se utilizan ampliamente, especialmente para presiones de rango estrecho y para mediciones de presión diferencial. Estos dispositivos pueden detectar la presión manométrica si el puerto de baja presión se deja abierto a la atmósfera, o la presión diferencial si están conectados a dos presiones de proceso. Si el lado de baja presión es una referencia de vacío sellada, el transmisor actuará como un transmisor de presión absoluta.

Los transductores de galgas extensométricas están disponibles para rangos de presión tan bajos como 3 pulgadas de agua y tan altos como 200 000 psig (1400 MPa). La imprecisión oscila entre el 0,1 % del intervalo y el 0,25 % de la escala completa. Otras fuentes de error pueden ser una deriva del 0,25 % de la escala completa en seis meses y un efecto de la temperatura del 0,25 % de la escala completa por cada 1000 °F.

Transductores de presión de capacitancia

Los transductores de presión de capacitancia se desarrollaron originalmente para su uso en investigaciones de vacío bajo. El cambio de capacitancia se debe al movimiento de un elemento de diafragma. Dependiendo del tipo de presión, el transductor capacitivo puede ser un transductor de presión absoluta, manométrico o diferencial.

Los transductores de presión de capacitancia están muy extendidos en parte debido a su amplio rango, desde altos vacíos en el rango de micras hasta 10 000 psig (70 MPa). Se pueden medir fácilmente presiones diferenciales tan bajas como 0,01 pulgadas de agua. Además, en comparación con los transductores de galgas extensométricas, no sufren grandes desviaciones. Existen diseños mejores disponibles con una precisión del 0,1 % de la lectura o del 0,01 % del fondo de escala. Un efecto típico de la temperatura es del 0,25 % de la escala completa por cada 1000 °F.

breve-descripción-imagen Los sensores de capacitancia se utilizan a menudo como estándares secundarios, especialmente en aplicaciones de presión diferencial baja y presión absoluta baja. También son bastante sensibles, ya que la distancia que debe recorrer físicamente el diafragma es de solo unas pocas micras. Los transductores de presión de capacitancia más nuevos son más resistentes a la corrosión y menos sensibles a la capacitancia parásita y a los efectos de la vibración que solían causar «fluctuaciones en la lectura» en los diseños más antiguos.

El acero inoxidable es el material más comúnmente utilizado para el diafragma, pero para servicios corrosivos, las aleaciones de acero con alto contenido de níquel, como Inconel o Hastelloy, ofrecen un mejor rendimiento. El tantalio también se utiliza para aplicaciones altamente corrosivas y a altas temperaturas. Como caso especial, se pueden utilizar diafragmas de plata para medir la presión del cloro, el flúor y otros halógenos en su estado elemental.

Transductores de presión potenciométricos

El sensor de presión potenciométrico proporciona un método sencillo para obtener una salida electrónica a partir de un manómetro mecánico. El dispositivo consiste en un potenciómetro de precisión, cuyo brazo limpiador está conectado mecánicamente a un elemento Bourdon o fuelle. El movimiento del brazo limpiador a través del potenciómetro convierte la deflexión del sensor detectada mecánicamente en una medición de resistencia, utilizando un circuito puente de Wheatstone.

La naturaleza mecánica de los enlaces que conectan el brazo del limpiaparabrisas al tubo Bourdon, al fuelle o al elemento de diafragma introduce errores inevitables en este tipo de medición. Los efectos de la temperatura causan errores adicionales debido a las diferencias en los coeficientes de expansión térmica de los componentes metálicos del sistema. También se producirán errores debido al desgaste mecánico de los componentes y de los contactos.

breve-descripción-imagen Los transductores potenciométricos pueden fabricarse en tamaños extremadamente pequeños e instalarse en espacios muy reducidos, como el interior de la carcasa de un manómetro de 4,5 pulgadas. También proporcionan una salida potente que puede leerse sin amplificación adicional. Esto permite su uso en aplicaciones de baja potencia. Además, son económicos. Los transductores potenciométricos pueden detectar presiones entre 5 y 10 000 psig (35 KPa a 70 MPa). Su precisión se sitúa entre el 0,5 % y el 1 % de la escala completa, sin incluir la deriva y los efectos de la temperatura.

Transductores de presión de cable resonante

El transductor de presión de cable resonante se introdujo a finales de la década de 1970. En este diseño, un cable se sujeta por un miembro estático en un extremo y por el diafragma sensor en el otro. Un circuito oscilador hace que el cable oscile a su frecuencia de resonancia. Un cambio en la presión del proceso modifica la tensión del cable, lo que a su vez cambia la frecuencia de resonancia del mismo. Un circuito contador digital detecta el cambio. Dado que este cambio de frecuencia se puede detectar con bastante precisión, este tipo de transductor se puede utilizar para aplicaciones de baja presión diferencial, así como para detectar presiones absolutas y manométricas.

La ventaja más significativa del transductor de presión de alambre resonante es que genera una señal inherentemente digital y, por lo tanto, puede enviarse directamente a un reloj de cristal estable en un Microprocesador. Las limitaciones incluyen la sensibilidad a las variaciones de temperatura, una señal de salida no lineal y cierta sensibilidad a los golpes y las vibraciones. Estas limitaciones suelen minimizarse utilizando un Microprocesador para compensar las no linealidades, así como las variaciones de temperatura ambiental y del proceso.

Los transductores de cable resonante pueden detectar presiones absolutas de 10 mm Hg, presiones diferenciales de hasta 750 pulgadas de agua y presiones manométricas de hasta 6000 psig (42 MPa). La precisión típica es del 0,1 % del intervalo calibrado, con una deriva de seis meses del 0,1 % y un efecto de la temperatura del 0,2 % por cada 1000 °F. .