2.1.
2.1. SensSensores Elores Electrectromecomecánicánicos para Medos para Medición de Prición de Presióesiónn
Una desve
Una desventaja común ntaja común que presenque presenta los seta los sensores mecánsores mecánicos es nicos es el método el método utilizado putilizado para transmiara transmitir el mtir el movimiento dovimiento del elemento el elemento de medicide medición deón de presión
presión a a un un indicadorindicador, , tal tal como como puntero puntero o o una una plumilla. plumilla. Un Un eslabón mecánico eslabón mecánico sufre sufre desgaste, tiene desgaste, tiene un un alto alto grado grado de de histéresis lo histéresis lo cual cual limita limita lala precisión,
precisión, velocidad velocidad de de repuesta repuesta y y repetibilidad de repetibilidad de la la medición. medición. os os avances avances en en la la tecnolog!a electrónica tecnolog!a electrónica han han dado dado la la respuesta a respuesta a este este problemaproblema sensando eléctricamente el movimiento el elemento de medición de presión. "l resultado de esto es# respuesta mucho más rápida menor desgaste e sensando eléctricamente el movimiento el elemento de medición de presión. "l resultado de esto es# respuesta mucho más rápida menor desgaste e histéresis, mejor compensació
histéresis, mejor compensación de temperatura, y una salida que es n de temperatura, y una salida que es una se$al eléctrica proporcional al una se$al eléctrica proporcional al movimiento del elemento de medición demovimiento del elemento de medición de presión. "sta se$al
presión. "sta se$al puede luego ser ampuede luego ser amplificada y aconplificada y acondicionada para que rdicionada para que reúna los requerimeúna los requerimientos del sistema dientos del sistema de control.e control. # %
# %ntes de ntes de pasar a pasar a estudiar estudiar cada uno cada uno de de estos seestos sensores, se nsores, se mencionarán mencionarán algunas algunas caracter!sticas caracter!sticas de un de un circuito circuito constituido constituido por un por un &uente de&uente de 'heatstone.
'heatstone.
El Puente de Wheatstone:
El Puente de Wheatstone: a figura (.) a figura (.) muestra un diagrama básico de un circuito de un muestra un diagrama básico de un circuito de un &uente de 'heatstone. os cuatro elementos del puente&uente de 'heatstone. os cuatro elementos del puente
pueden ser
pueden ser inductanciasinductancias, capacitadores o , capacitadores o resistencias. &ero en resistencias. &ero en el caso el caso de medición de de medición de presión, generalmente son resistencias. "n presión, generalmente son resistencias. "n cualquiera de estoscualquiera de estos casos, un peque$o cambio en la corriente a través de una de
casos, un peque$o cambio en la corriente a través de una de las ramas del puente produce un cambio instantáneo del voltaje a través de los e*tremos. +ilas ramas del puente produce un cambio instantáneo del voltaje a través de los e*tremos. +i las resistencias de los cuatro elementos del puente son afectadas por la temperatura en la misma forma, cualquier cambio tenderá a balancear una con las resistencias de los cuatro elementos del puente son afectadas por la temperatura en la misma forma, cualquier cambio tenderá a balancear una con otra evitando errores inducidos por variaciones en la
otra evitando errores inducidos por variaciones en la temperatura, los cuales, e otro temperatura, los cuales, e otro modo se detectar!an como un modo se detectar!an como un cambio en la presión.cambio en la presión. +i la salida
+i la salida de un sensor de un sensor de precisión sde precisión se transmite a e transmite a una de las una de las ramas del pueramas del puente, el desbalante, el desbalance resultante nce resultante en el voltajeen el voltaje, debido a una , debido a una variación devariación de presión,
presión, puede puede ser ser amplificadoamplificado, , escalado y escalado y calibrado calibrado en en unidades unidades de de presión. presión. iertos iertos semiconductosemiconductores, res, tales tales como como el el +ilicón, +ilicón, son son piezoresistivospiezoresistivos -cambios en la resistencia debido a esfuerzo. /e este modo, las resistencias de un circuito de &uente de 'heatstone pueden ser implantadas, o -cambios en la resistencia debido a esfuerzo. /e este modo, las resistencias de un circuito de &uente de 'heatstone pueden ser implantadas, o 0difundidas1 en un circuito muy peque$o -hip. +i esto se conecta apropiadamente a un sensor de presión tipo diafragma, o se utilizan el mismo como 0difundidas1 en un circuito muy peque$o -hip. +i esto se conecta apropiadamente a un sensor de presión tipo diafragma, o se utilizan el mismo como diafragma, y se cablea a un circuito de amplificación, proporciona una se$al analógica
diafragma, y se cablea a un circuito de amplificación, proporciona una se$al analógica repetitiva proporciorepetitiva proporcional a la presión aplicada al diafragma.nal a la presión aplicada al diafragma.
2
2. 1. 1. 1. 1.. EEl l SSttrra ia in Gn Gaagge (e (GGaallggaass))
os tra
os transductores nsductores de prede presión tisión tipo +traipo +train gage n gage proporcionan proporcionan un meun medio condio conveniente veniente y cony confiable pfiable para meara medir presiódir presión de n de gases y gases y l!quidos. l!quidos. +on+on especialmente adecuad
especialmente adecuados para ser os para ser utilizados en sistemas viscosos y corrosivos.utilizados en sistemas viscosos y corrosivos. Un +train g
Un +train gage -galga eage -galga e*tensométrica *tensométrica es un meces un mecanismo que anismo que utiliza el cutiliza el cambio de lambio de la resistencia a resistencia eléctrica de eléctrica de un alambre un alambre o elemento o elemento semiconductosemiconductor r de resistencia, sometido a esfuerzo para medir presión. "l +train gage cambio un movimiento mecánico en una se$al eléctrica cuando la resistencia de resistencia, sometido a esfuerzo para medir presión. "l +train gage cambio un movimiento mecánico en una se$al eléctrica cuando la resistencia varia por compresión o tensión. "l cambio en la resistencia es una medida de la presión que produce la distorsión mecánica. a figura (.2 ilustra el varia por compresión o tensión. "l cambio en la resistencia es una medida de la presión que produce la distorsión mecánica. a figura (.2 ilustra el principio de ope
principio de operación de un strain gración de un strain gage.age. "*isten vario
"*isten varios tipos de ss tipos de strain gages# train gages# cementados -cementados -bonded, sin cbonded, sin cementar -uementar -unbonded, capa nbonded, capa fina y tipfina y tipo semiconducto semiconductor. "n or. "n la figura la figura (.3 se muest(.3 se muestranran varios tipos de strain gage. a sensibilidad de un dispositivo semiconductor es cien -455 veces mayor que la de una strain gage de alambre de varios tipos de strain gage. a sensibilidad de un dispositivo semiconductor es cien -455 veces mayor que la de una strain gage de alambre de resistencia.
resistencia. 6ndependiente
6ndependientemente del timente del tipo de strain po de strain gage utilizadogage utilizado, casi siempre , casi siempre se emplea ese emplea en circuito eln circuito eléctrico con uéctrico con un puente de n puente de 'heatstone'heatstone. a variación . a variación en laen la resistencia cambia el voltaje de salida del puente. "sta se$al frecuentemente requiere compensación por cambios en la temperatura del proceso. "l resistencia cambia el voltaje de salida del puente. "sta se$al frecuentemente requiere compensación por cambios en la temperatura del proceso. "l método más frecuente de realizar esta
método más frecuente de realizar esta compensación es el de utilizar una compensación es el de utilizar una resistencia de compensación en el puente de resistencia de compensación en el puente de 'heatstone'heatstone
ig 2.!. "i#erentes tipos de strain gage. ig 2.!. "i#erentes tipos de strain gage.
a figura (
a figura (.45 muestra el .45 muestra el corte de un corte de un transductor7trtransductor7transmisor basaansmisor basado en un mido en un microprocesadorcroprocesador. a se$al . a se$al de presión del de presión del proceso se proceso se aplica sobre uaplica sobre unn diafragma, el cual la transfiere, a través de un l!quido de sello -fluido, al lado de alta presión del sensor. % través de un venteo se aplica la presión diafragma, el cual la transfiere, a través de un l!quido de sello -fluido, al lado de alta presión del sensor. % través de un venteo se aplica la presión atmosférica al lado de baja presión
atmosférica al lado de baja presión del sensor. "l sensor -silicón chip mide la diferencia entre la presión del proceso y la presión atmosférica. omo sedel sensor. "l sensor -silicón chip mide la diferencia entre la presión del proceso y la presión atmosférica. omo se muestra e la
muestra e la figura (.45, el figura (.45, el sensor mide tres variables# la presión sensor mide tres variables# la presión del proceso, presión estática y del proceso, presión estática y temperatura ambientetemperatura ambiente. "l . "l microprocesamicroprocesador utiliza estasdor utiliza estas tres se$ales de entrada para
tres se$ales de entrada para calcular la presión del proceso calcular la presión del proceso compensada por cualquier efecto de variación de presión atmosférica o compensada por cualquier efecto de variación de presión atmosférica o temperatura.temperatura. a compe
a compensación se nsación se realiza utrealiza utilizando cilizando ciertos factiertos factores almaceores almacenados en nados en la memola memoria &89: ria &89: del micrdel microprocesadoroprocesador. "l . "l microprocesadmicroprocesador tambiéor tambiénn chequea la linealidad de la se$al de salida, y la escala de acuerdo a los valores de rango seleccionado. a se$al digital de salida es convertida en una chequea la linealidad de la se$al de salida, y la escala de acuerdo a los valores de rango seleccionado. a se$al digital de salida es convertida en una se$al de ;<(5 m%,dc..
se$al de ;<(5 m%,dc..
2.
2.1.1.2.2. $$rranansdsducuctotoreres de ps de preresisión %ón %esesisistiti&o&oss
"stos trans
"stos transductores oductores operan bajo peran bajo el princiel principio de qpio de que un ue un cambio ecambio en la prn la presión prodesión produce un uce un cambio ecambio en la resn la resistencia deistencia del elemento l elemento sensor. sensor. "stán"stán constituidos por un elemento elástico -tubo =ourdon, fuelle,
constituidos por un elemento elástico -tubo =ourdon, fuelle, diafragma el cual hace variar la diafragma el cual hace variar la resistencia de un potenciómetro en función de resistencia de un potenciómetro en función de la presión.la presión. a figura (.44 muestra dos tipos de transductores resistivos. "n uno de ellos el elemento sensor lo constituye un fuelle, y en el
a figura (.44 muestra dos tipos de transductores resistivos. "n uno de ellos el elemento sensor lo constituye un fuelle, y en el otro un diafragma.otro un diafragma.
ig. 2.11. $ransductores de presión resisti&os de #uelle ' de dia#ragma ig. 2.11. $ransductores de presión resisti&os de #uelle ' de dia#ragma
"n este c
"n este caso, la variaaso, la variación en la rción en la resistencia se esistencia se produce por produce por una variacióuna variación en la ten en la temperatura. "l mperatura. "l principio de principio de operación es operación es el siguiente# el siguiente# se hace passe hace pasar ar corriente eléctrica a través de un
corriente eléctrica a través de un filamento colocado en una cámara presurizada> por efecto de filamento colocado en una cámara presurizada> por efecto de esta corriente el filamento se esta corriente el filamento se calienta. a temperatura delcalienta. a temperatura del filamento y por consiguiente su resistividad varia inversamente con la presión del gas. "l elemento sensor está constituido por dos bulbos o cámaras filamento y por consiguiente su resistividad varia inversamente con la presión del gas. "l elemento sensor está constituido por dos bulbos o cámaras presurizadas# una
presurizadas# una de medición, y otrde medición, y otra de referencia.a de referencia. "l ele
"l elemento remento resistivo essistivo está constittá constituido por uido por un filaun filamento de mento de platino platino o tungso tungsteno.teno. "ste tipo
"ste tipo de medide medidor se puedor se puede utilizar de utilizar para medpara medir densidadir densidad, presión , presión o velocidao velocidad de gased de gases.s. +u construcción es simple y
+u construcción es simple y no requiere de amplificación.no requiere de amplificación.
2.
2.1.1... $r$ranansdsducuctotoreres s de de PrPresesióión n aapapacicititi&o&os.s.
a figura (
a figura (.4? muestra un .4? muestra un sensor de psensor de presión que utresión que utiliza capacitailiza capacitancias en vez ncias en vez de resistencde resistencias como eleias como elementos del pumentos del puente del 'ente del 'heatstone. "n heatstone. "n esteeste caso, el elemento sensor es un diafragma que está en contacto con la presión del medio. uando la presión aplicada produce una defle*ión en el caso, el elemento sensor es un diafragma que está en contacto con la presión del medio. uando la presión aplicada produce una defle*ión en el
6nstrumentación 6ndustrial
diafragma, la capacitancia del elemento cambia en proporción la presión aplicada. "ste cambio en la capacitancia produce un cambio en la se$al de voltaje d.c. del circuito del puente. "sta variación de voltaje se convierte en una se$al standard de ;<(5m%.
2.1.*. $ransductores de presión magn+ticos.
"*isten dos tipos# los de inductancia variable y los de reductancia variable.
2.1.*.1. $ransductores de inductancia &aria,le
Utilizan una bobina con un núcleo magnético móvil. a ductancia en la bobina aumenta proporcionalmente a la cantidad de material o núcleo dentro de la bobina. -@er figura (.4;. "ste tipo de sensor ha venido siendo utilizado para detectar peque$os desplazamientos de cápsulas y otros sensores.
2.1.*.2. $ransductores de %eductancia -aria,le.
"n este caso e*iste un electroimán que crea un campo magnético dentro del cual se mueve una armadura de material magnético. "l circuito magnético se alimenta de una fuerza magnetomotriz constante, con lo cual al cambiar la posición de la armadura varia la reluctancia y por lo tanto el flujo magnético -@er figura (.4;.
os dos tipos de transductores magnéticos utilizan como sensor un elemento elástico y circuitos eléctricos constituidos por un puente A
2.1.. $ransductores de Presión Pie/oel+ctricos
a piezoelectricidad se define como la producción de un potencial eléctrico debido a la presión sobre ciertas sustancias cristalinas como el cuarzo, titanio de bario, etc. "n un sensor piezo<eléctrico la presión aplicada sobre varios cristales produce deformación elástica. /urante variaciones de presión el desplazamiento se convierte en una se$al eléctrica proporcional. a se$al eléctrica aparece a través de las caras del cristal cuando es
deformado por la presión aplicada. as principales aplicaciones son# bal!stica, motores de combustión interna, tubos de impacto, y otras. -@er figura (.4B
Medición de -ac0o
"n un sistema e*iste estado de vac!o cuando la presión absoluta del sistema es menor que la presión atmosférica. /e acuerdo al principio de operación los medidores de vac!o se clasifican de la siguiente forma#
os medidores de vac!o que utilizan el principio de medición de fuerza ya han sido estudiados en detalle en secciones anteriores.
2.1.. Medidores de onducti&idad $+rmica
"n este tipo de medidores el elemento principal del medidor es un alambre o filamento e*puesto a la presión que se quiere medir> el cual se calienta aplicándole una corriente eléctrica. a pérdida de calor debido a la conductividad térmica del gas es una función de la presión. "ntre estos tipos de medidores se pueden mencionar#
Medidor de $ermocupla# a temperatura alcanzada por el filamento que se calienta se mide con una termocupla soldada en el punto medio del
filamento. a termocupla produce una se$al proporcional a la temperatura y por consiguiente a la presión. a figura (.4C muestra el esquema de un medidor de termocupla.
a figura (.4) muestra el principio de operación de un medidor &irani. "l sensor está constituido por dos resistencias que son filamentos de tungsteno e*actamente iguales, uno de ellos está sellado al vac!o y se utiliza como referencia, el otro está e*puesto a la presión que se quiere medir.
Instrumentación Industrial
Página 1
D6&9 /" 9&"8%6EF D6&9 /" :"/6/98 :edición de fuerza
Dubos =ourdon, :anómetros, Guelles, /iafragmas. -8ango# )C5 a 10− 4
onductividad Dérmica :edidor de Dermocupia, &irani. -8ango 4 a 10−
3
6onización :edidor de Gilamento aliente, %lphatron.
-8ango 10−
3
a 10−
11 Dorr
6nstrumentación 6ndustrial
"stos dos filamentos o resistencias forman parte de un puente de Aheatstone. "l efecto de enfriamiento producido sobre el elemento e*puesto a la presión que se quiere medir desbalancea el puente, produciendo un cambio en la se$al de salida.
2. 1. . M edi do res de 3o ni /a ció n. 2.1..1. Medidor de átodo aliente
a figura (.42 muestra un esquema de un sensor de cátodo caliente en el cual una corriente de electrones se emite desde un filamento caliente. os electrones emitidos son atra!dos hacia una rejilla helicoidal por un potencial de corriente d.c. de apro*imadamente 4B5 volt. "n su paso desde el filamento hasta la rejilla, los electrones chocan contra las moléculas del gas pierden electrones y forman iones positivos. os iones as! formados son atra!dos hacia un colector de iones, utilizando un voltaje negativo en el colector. /ebido a que el número de iones producidos depende de la densidad del gas, la corriente en el colector -corriente de los iones es proporcional a la presión de gas.
Diene la desventaja de que el filamento es susceptible al ataque qu!mico de algunos gases, y puede quemarse si se produce un sobre incremento en la presión.
2. 1. . 2. M edi do r 4lpha tron
"ste medidor utiliza part!culas alfa emitidas radiactivamente como un agente eficiente para ionizar las moléculas del gas en el sensor. os iones producidos son colectados y medidos en un circuito similar al utilizado por el medidor de cátodo caliente, pero es más sensible. -@er figura (.43. as corrientes iónicas producidas son mucho menores que las obtenidas al utilizar un senso d e cátodo caliente> por lo tanto el medidor %lphatron no puede operar de manera efectiva a las presiones más bajas que opera el sensor de cátodo caliente. &or otro lado, el %lphatron tiene un rango lineal que va desde 10−
3
Dorr hasta la presión atmosférica.
2.2. 3nterruptores de Presión (Pressure S5itches)
os interruptores de presión se utilizan para energizar o desenergizar circuitos eléctricos en sistemas de alarmas, para realizar funciones de control, o ajustes de presión predeterminados.
"stán sujetos a las mismas consideraciones de dise$o que la de los instrumentos para medición o transmisión de presión. "l mecanismo eléctrico de 6nterrupción generalmente es un microsAitch o un sAitch de mercurio. "l elemento primario de medición generalmente es un diafragma.
%lgunos factores que hay que considerar para seleccionar un interruptor de presión son# tiempo de vida, presión de prueba, función del interruptor, carga má*ima -electrical rating y clasificación del área donde va a estar instalado.
2.. 4plicaciones de Sellos en la Medición de Presión
+on dise$ados para proteger instrumentos de medición de presión. onsisten en un mecanismo que generalmente es un delgado diafragma como medio de separación entre el fluido del proceso y el elemento sensor. "l volumen entre el diagrama y el s ensor de presión se llena completamente con un l!quido que es estable a la temperatura. a defle*ión en el diafragma causada por un cambio en la presión del proceso se transmite directamente a través del l!quido hacia el elemento sensor, o remotamente a través de un capilar
os sellos se utilizan en las siguientes aplicaciones# uando el fluido del proceso cuya presión se mide puede destruir el elemento sensor. uando los materiales que pueden soportar los efectos de temperatura y7o corrosión de ciertos fluidos no se encuentran disponibles, o son muy costosos.
&or requerimientos sanitarios.
uando el fluido del proceso se puede congelar, o puede taponar la entrada al sensor.
2.*. $ransmisores de Presión
a utilización de sistemas de transmisión remota para enviar mediciones de presión o de diferencial de presión, sobre distancias relativamente largas, tiene muchas ventajas, dentro de las cuales se puede mencionar, seguridad, econom!a y conveniencia.
2. *. 1. $ran sm is ió n 6 eu má ti ca
os sensores de presión mecánicos producen un movimiento proporcional a la presión, el cual puede ser utilizado para mover el dial de un indicador, la plumilla de un registro o interruptores eléctricos sencillos. "ste mismo sistema está constituido por cuatro componentes básicos# -4 +uministro constante de aire de alimentación de (5 psig. -( Un transmisor que modula el aire de alimentación en función a los cambios en la variable medida en este caso la presión. -? Una l!nea de cone*ión de diámetro peque$o para transmitir los cambios en la presión del aire modulado y -; Un instrumento receptor que indica o registra presión basado en la presión del aire modulado. "ste receptor también puede ser un controlador.
2. *. 2. $ran smi sió n El ec tró ni ca
a figura (.(4 muestra un tipo de transmisor electrónico. "ste tipo de transmisor está basado en un transductor capacitivo. a presión del proceso se transmite a través de diafragmas separadores y un fluido de sellos -aceite de silicona a un diafragma sensor en el centro de la celda. "l diafragma sensor se deflecta en respuesta a la diferencial de presión a través de él. " l desplazamiento del diafragma es proporcional a la diferencial de presión. a posición del diafragma sensor es detectada por placas de un capacitor a ambos lados del diafragma sensor. a diferencia en capacitancia entre el
diafragma sensor y las pacas del capacitor se convierte electrónicamente en una se$al de ; H (5 m%/ o 45 H B5 m%/.
2. *. . $ran smi sor es 3n te lig en te s
6nstrumentación 6ndustrial
Iasta hace poco los transductores y transmisores de presión hab!an sido de tipo analógico convirtiendo movimientos mecánicos y cambios en propiedades eléctricas en se$ales estándar de ? H 4B psig o ; H (5 m%/. Un nuevo tipo de transmisores, basados en microprocesadores, ofrecen una
mayor capacidad y confiabilidad que sus antecesores.
"l microprocesador incorporado en el transmisor mejora la precisión y las capacidades de comunicación. a precisión total es mejorada eliminando las fuentes principales de error en un transductor> como lo son aquellas debido a los cambios de temperatura y presión estática. on el poder del microprocesador es posible ahora medir los efectos de la temperatura y la presión estática sobre cada sensor individualmente. "sto caracterizada a cada sensor utilizando formulas complejas. "l resultado es que se obtiene un precisión apro*imada de 4 H ? J comparada con ( H B J para transmisores analógicos. "ste tipo de transmisores ofrece además un modo de comunicación digital. 9tra de las ventajas de este tipo de transmisores es la posibilidad de poder verificar a distancia la calibración del transmisor, ajustar el cero, cambiar la calibración, utilizando un dispositivo conectado a los
dos cables de transmisión de la se$al.
