¿Qué es un sensor de presión piezoeléctrico?
Los sensores de presión piezoeléctricos se pueden clasificar según si se mide la carga electrostática del cristal, su resistividad o su frecuencia de resonancia. Dependiendo del fenómeno que se utilice, el sensor de cristal se puede denominar electrostático, piezorresistivo o resonante.
Cuando se aplica presión, fuerza o aceleración a un cristal de cuarzo, se genera una carga a través del cristal que es proporcional a la fuerza aplicada (Figura 3-8). La diferencia fundamental entre estos sensores de cristal y las galgas extensométricas, como los dispositivos de fuerza estática, es que la señal eléctrica generada por el cristal decae rápidamente. Esta característica hace que estos sensores no sean adecuados para la medición de fuerzas o presiones estáticas, pero sí útiles para mediciones dinámicas.
When pressure is applied to a crystal, it is elastically deformed. This deformation results in a flow of electric charge (which lasts for a period of a few seconds). The resulting electric signal can be measured as an indication of the pressure which was applied to the crystal. These sensors cannot detect static pressures, but are used to measure rapidly changing pressures resulting from blasts, explosions, pressure pulsations (in rocket motors, engines, compressors) or other sources of shock or vibration. Some of these rugged sensors can detect pressure events having "rise times" on the order of a millionth of a second, and are described in more detail later in this chapter.
Al aplicar presión a un cristal, este se deforma elásticamente. Esta deformación da lugar a un flujo de carga eléctrica (que dura unos segundos). La señal eléctrica resultante puede medirse como una indicación de la presión que se aplicó al cristal. Estos sensores no pueden detectar presiones estáticas, pero se utilizan para medir presiones que cambian rápidamente como resultado de 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 con «tiempos de subida» del orden de una millonésima de segundo, y se describen con más detalle más adelante en este capítulo. La salida de estos sensores de presión dinámica se expresa a menudo en unidades de presión «relativas» (como psir en lugar de psig), haciendo referencia así a la medición de la condición inicial del cristal. El rango máximo de estos sensores es de 5000 o 10 000 psir. Las características deseables de los sensores piezoeléctricos incluyen su resistencia, su pequeño tamaño, su alta velocidad y su señal autogenerada. Por otro lado, son sensibles a las variaciones de temperatura y requieren un cableado y una amplificación especiales. 
También requieren un cuidado especial durante la instalación: Una de las consideraciones es que su par de montaje debe duplicar el par con el que se calibraron (normalmente 30 pulgadas-libras). Otro factor que puede perjudicar su rendimiento al ralentizar la velocidad de respuesta es la profundidad de la cavidad vacía debajo de la cavidad. Cuanto mayor sea la cavidad, más lenta será la respuesta. Por lo tanto, se recomienda minimizar la profundidad de la cavidad y que no sea mayor que el diámetro de la sonda (normalmente alrededor de 0,25 pulgadas).
Los transductores de presión electrostáticos son pequeños y resistentes. La fuerza sobre el cristal se puede aplicar longitudinalmente o en dirección transversal y, en ambos casos, provocará una salida de tensión proporcional a la fuerza aplicada. La señal de voltaje autogenerada por el cristal es útil cuando no es práctico o imposible suministrar energía al sensor. Estos sensores piezoeléctricos también proporcionan respuestas de alta velocidad (30 kHz con picos de hasta 100 kHz), lo que los hace ideales para medir fenómenos transitorios. La figura 3-9 ilustra un Sensor de presión con compensación de aceleración. En este diseño, la compensación se proporciona mediante la adición de una masa sísmica y un «cristal de compensación» separado de polaridad inversa. Estos componentes se dimensionan para cancelar exactamente el efecto inercial de las masas (la pieza final y el diafragma) que actúan sobre la pila de cristales sensibles a la presión al acelerarse.
Dado que el cuarzo es un mineral común y natural, estos transductores piezoeléctricos suelen ser económicos. La turmalina, una forma semipreciosa natural del cuarzo, tiene una capacidad de respuesta inferior al microsegundo y es útil para la medición de transitorios muy rápidos. Al seleccionar el cristal adecuado, el diseñador puede garantizar una buena linealidad y una menor sensibilidad a la temperatura.
Aunque los transductores piezoeléctricos no son capaces de medir presiones estáticas, se utilizan 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 del 1 % de la escala completa, con un 1 % adicional de la escala completa por cada 1000 °C de efecto de temperatura.
Los sensores de presión piezorresistivos funcionan basándose en la dependencia de la resistividad del silicio bajo tensión. Similar a una galga extensométrica, un sensor piezorresistivo consta de un diafragma al que se unen cuatro pares de resistencias de silicio. A diferencia de la construcción de un sensor de galga extensométrica, aquí el diafragma en sí está hecho de silicio y las resistencias se difunden en el silicio durante el proceso de fabricación. El diafragma se finaliza uniendo 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 el sensor de presión se va a referenciar, la cavidad situada detrás del diafragma se conecta a la atmósfera o a la fuente de presión de referencia. Cuando se utiliza en un sensor de proceso, el diafragma de silicio se protege del contacto directo con los materiales del proceso mediante un diafragma protector lleno de fluido fabricado en Acero inoxidable o alguna otra aleación que cumpla los requisitos de corrosión del servicio.
Los sensores de presión piezorresistivos son sensibles a los cambios de temperatura y deben compensarse térmicamente. Los sensores de presión 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 de la frecuencia de resonancia de los cristales de cuarzo bajo una fuerza aplicada. El sensor puede consistir en una viga suspendida que oscila mientras está aislada de todas las demás fuerzas. La viga se mantiene en oscilación a su frecuencia resonante. Los cambios en la fuerza aplicada dan lugar a cambios en la frecuencia resonante. La relación entre la presión aplicada P y la frecuencia de oscilación es:
donde TO es el periodo de oscilación cuando la presión aplicada es cero, T es el periodo de oscilación cuando la presión aplicada es P, y A y B son constantes de calibración para el transductor.
These transducers can be used for absolute pressure measurements with spans from 0-15 psia to 0-900 psia (0-100 kPa to 0-6 MPa) or for differential pressure measurements with spans from 0-6 psid to 0-40 psid (0-40 kPa to 0-275 kPa).
Inductive/Reluctive Pressure Sensors
Estos transductores de presión se pueden utilizar para mediciones de presión absoluta con rangos de 0-15 psia a 0-900 psia (0-100 kPa a 0-6 MPa) o para mediciones de presión diferencial con rangos de 0-6 psid a 0-40 psid (0-40 kPa a 0-275 kPa).
Varios de los primeros diseños de transductores de presión se basaban en fenómenos magnéticos. Entre ellos se incluía el uso de la inductancia, la reluctancia y las corrientes parásitas. La inductancia es la propiedad de un circuito eléctrico que expresa la cantidad de fuerza electromotriz (FEM) inducida por una tasa determinada 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 la reluctancia de un circuito eléctrico. La imagen 3-10A ilustra el uso de un transformador diferencial variable lineal (LVDT) como elemento de trabajo de un transmisor de presión. El LVDT funciona según el principio de la 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 mediante el Sensor de presión.
Se aplica corriente alterna a la bobina primaria del centro y, si el núcleo también está centrado, se inducirán voltajes iguales en las bobinas secundarias (n.º 1 y n.º 2). Dado que las bobinas están conectadas en serie, esta condición dará como resultado una salida cero. A medida que cambia la presión del proceso y el núcleo se mueve, la diferencia en los voltajes inducidos en las bobinas secundarias es proporcional a la presión que causa el movimiento.
Los transductores de presión de tipo LVDT están disponibles con una precisión del 0,5 % de la escala completa y con rangos de 0-30 psig (0-210 kPa) a 0-10 000 psig (0-70 MPa). Pueden detectar presiones absolutas, manométricas o diferenciales. Sus principales limitaciones son la susceptibilidad al desgaste mecánico y la sensibilidad a las vibraciones y las interferencias magnéticas.
La reluctancia es el equivalente a la resistencia en un circuito magnético. Si un cambio en la presión modifica los espacios en las trayectorias del flujo magnético de los dos núcleos, la relación entre las inductancias L1/L2 estará relacionada con el cambio en la presión del proceso (Figura 3-10B). Los transductores de presión basados en la reluctancia tienen una señal de salida muy alta (del orden de 40 mV/voltio de excitación), pero deben ser excitados por tensión alterna. Son susceptibles a los campos magnéticos parásitos y a los efectos de la temperatura de aproximadamente un 2 % por cada 1000 °F. Debido a sus señales de salida muy altas, se utilizan a menudo en aplicaciones en las que se desea una alta resolución en un rango relativamente pequeño. Pueden cubrir rangos de presión desde 1 pulgada de agua hasta 10 000 psig (250 Pa a 70 MPa). La precisión típica es del 0,5 % de la escala completa.
Óptica
Los transductores de presión ópticos detectan los efectos de movimientos minúsculos debidos a cambios en la presión del proceso y generan una señal de salida electrónica correspondiente (Figura 3-11). Se utiliza un diodo emisor de luz (LED) como fuente de luz, y una paleta bloquea parte de la luz al ser movida por el diafragma. A medida que la presión del proceso mueve la paleta entre el diodo fuente y el diodo de medición, cambia la cantidad de luz infrarroja recibida.
Los sensores de presión ópticos deben compensar el envejecimiento de la fuente de luz LED mediante un diodo de referencia, que nunca es bloqueado por la paleta. Este diodo de referencia también compensa la señal por la acumulación de suciedad u otros materiales de recubrimiento en las superficies ópticas. El transductor de presión óptico es inmune a los efectos de la temperatura, ya que los diodos fuente, de medición y de referencia se ven afectados por igual por los cambios de temperatura. Además, dado que la cantidad de movimiento requerida para realizar la medición es muy pequeña (menos de 0,5 mm), los errores de histéresis y repetibilidad son prácticamente nulos.
Los transductores de presión ópticos no requieren mucho mantenimiento. Tienen una estabilidad excelente 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 del 0,1 % de la escala completa.
Consideraciones prácticas
En aplicaciones industriales, una buena repetibilidad suele ser más importante que la precisión absoluta. Si las presiones del proceso varían en un amplio rango, los sensores de presión con buena linealidad y baja histéresis son la opción preferida. Los sensores de presión diferencial son un ejemplo de sensor que se utiliza habitualmente en aplicaciones industriales.
Las variaciones de la temperatura ambiente y del proceso también provocan errores en las mediciones de presión, especialmente en la detección de presiones bajas y presiones diferenciales pequeñas. En tales aplicaciones, se deben utilizar compensadores de temperatura. Las variaciones en la fuente de alimentación también reducen el rendimiento de los transductores de presión. La sensibilidad (S) de un transductor determina la cantidad de cambio que se produce en la tensión de salida (VO) cuando cambia la tensión de alimentación (VS), manteniéndose constantes la presión medida (Pm) y la presión nominal del transductor (Pr):
En un sistema de medición de presión, el error total se puede calcular utilizando el método de la suma de cuadrados: el error total es igual a la raíz cuadrada de la suma de todos los errores individuales al cuadrado.
Selection Criteria
Los transductores de presión suelen generar señales de salida en el rango de milivoltios (intervalos de 100 mV a 250 mV). Cuando se utilizan en transmisores, a menudo se amplifican al nivel de voltaje (1 a 5 V) y se convierten en bucles de corriente, normalmente de 4-20 mA CC.
La carcasa del transductor debe seleccionarse para que cumpla tanto con la clasificación eléctrica de la zona como con los requisitos de corrosión de la instalación en particular. La protección contra la corrosión debe tener en cuenta tanto las salpicaduras de líquidos corrosivos o la exposición a gases corrosivos en el exterior de la carcasa, como la exposición del elemento sensor a materiales de proceso corrosivos. Los requisitos de corrosión de la instalación se cumplen seleccionando materiales y recubrimientos resistentes a la corrosión y utilizando sellos químicos, que se describen más adelante en este capítulo.
Si la instalación se encuentra en una zona en la que pueden estar presentes vapores explosivos, el Sensor de presión y su Fuente de alimentación deben ser adecuados para estos entornos. Esto se consigue normalmente colocándolos dentro de carcasas purgadas o a prueba de explosiones, o utilizando diseños intrínsecamente seguros.
Probablemente, la decisión más importante a la hora de seleccionar un transductor de presión es el rango. Hay que tener en cuenta dos consideraciones contradictorias: 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 en torno a la mitad del rango), de modo que se minimice el error, que suele ser un porcentaje de la escala completa. Por otro lado, siempre hay que tener en cuenta las consecuencias de los daños por sobrepresión debidos a errores de funcionamiento, diseño defectuoso (golpe de ariete) o falta de aislamiento del instrumento durante las pruebas de presión y la puesta en marcha. Por lo tanto, es importante especificar no solo el rango requerido, sino también la cantidad de protección contra sobrepresión necesaria.
La mayoría de los instrumentos de presión están provistos de una protección contra sobrepresión del 50 % al 200 % del rango (Figura 3-12). Estos protectores satisfacen la mayoría de las aplicaciones. Cuando 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 medición sea menos sensible. Si se prevé que la sobrepresión excesiva sea de mayor duración, se puede proteger el sensor instalando una válvula de alivio de presión. Sin embargo, esto provocará una pérdida de medición cuando la válvula de alivio esté abierta.
Si el transmisor va a funcionar a altas temperaturas ambientales, la carcasa puede ser refrigerada eléctricamente (efecto Peltier) o con agua, o puede ser reubicada en una zona con aire acondicionado. Cuando se prevean temperaturas bajo cero, se debe utilizar calefacción por resistencia o trazado de vapor en combinación con aislamiento térmico.
Cuando se dan 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 tubos capilares para montaje remoto y purga.
DwyerOmega | Blog | ¿Qué es un manómetro?
Escrito por: Dan Schultz
Actualizado el: 30 de octubre de 2025
Entender el significado de «intrínsecamente seguro»
Written by: Dan Schultz
Updated on: March 30, 2026