INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TOLUCA

DGESTSNESTSEP

Sensores de presión

Carrera: Ingeniería Electromecánica

Materia: Controles eléctricos

Docente: Ing. José Antonio Rodríguez Rodríguez

Alumno:

CRUZ ROSARIO CARLOS URIEL

INTRODUCCION

En el siguiente trabajo se presentara lo que es un sensor de presión, teniendo una leve

explicación de la importancia de un sensor en general, llámese de temperatura, a

proximidad, movimiento, humo, etc. En nuestro caso se hablara más del sensor de

presión.

El control de la presión en los procesos industriales da condiciones de operación seguras.

Cualquier recipiente o tubería posee cierta presión máxima de operación y

de seguridad variando este, de acuerdo con el material y la construcción. Las presiones

excesivas no solo pueden provocar la destrucción del equipo, si no también puede

provocar la destrucción del equipo adyacente y ponen al personal en situaciones

peligrosas, particularmente cuando están implícitas, fluidos inflamables o corrosivos. Para

tales aplicaciones, las lecturas absolutas de gran precisión con frecuencia son tan

importantes como lo es la seguridad extrema.

Por otro lado, la presión puede llegar a tener efectos directos o indirectos en el valor de

las variables del proceso (como la composición de una mezcla en el proceso

de destilación). En tales casos, su valor absoluto medio o controlado con precisión de

gran importancia ya que afectaría la pureza de los productos poniéndolos fuera de

especificación.

CONCEPTOS IMPORTANTES

La presión es una fuerza que ejerce sobre un área determinada, y se mide en unidades

de fuerzas por unidades de área.

Esta fuerza se puede aplicar a un punto en una superficie o distribuirse sobre esta.

Cada vez que se ejerce se produce una deflexión, una distorsión o un cambio de volumen o dimensión.

Las mediciones de presión pueden ser desde valores muy bajos que se consideran un vacío, hasta miles de toneladas de por unidad de área.

Es importante tener en cuenta la presión que se mide, ya que pueden distinguirse los siguientes tipos:

Presión AbsolutaEs la presión de un fluido medido con referencia al vacío perfecto o cero absoluto. La

presión absoluta es cero únicamente cuando no existe choque entre las moléculas lo que

indica que la proporción de moléculas en estado gaseoso o la velocidad molecular es muy

pequeña. Ester termino se creó debido a que la presión atmosférica varia con la altitud y

muchas veces los diseños se hacen en otros países a diferentes altitudes sobre el nivel

del mar por lo que un término absoluto unifica criterios.

Presión AtmosféricaEl hecho de estar rodeados por una masa gaseosa (aire), y al tener este aire un peso

actuando sobre la tierra, quiere decir que estamos sometidos a una presión (atmosférica),

la presión ejercida por la atmósfera de la tierra, tal como se mide normalmente por medio

del barómetro (presión barométrica). Al nivel del mar o a las alturas próximas a este, el

valor de la presión es cercano a 14.7 lb/plg2 (101,35Kpa), disminuyendo

estos valores con la altitud.

Presión ManométricaSon normalmente las presiones superiores a la atmosférica, que se mide por medio de un

elemento que se define la diferencia entre la presión que es desconocida y la presión

atmosférica que existe, si el valor absoluto de la presión es constante y la presión

atmosférica aumenta, la presión manométrica disminuye; esta diferencia generalmente es

pequeña mientras que en las mediciones de presiones superiores, dicha diferencia es

insignificante, es evidente que el valor absoluto de la presión puede abstenerse

adicionando el valor real de la presión atmosférica a la lectura del manómetro.

La presión puede obtenerse adicionando el valor real de la presión atmosférica a

la lectura del manómetro.

Presión Absoluta = Presión Manométrica + Presión Atmosférica.

Unidades de Medida:En el sistema internacional de medidas, está estandarizada en Pascales. En los países de habla inglesa se utiliza PSI

CONTENIDO

En cualquier máquina o proceso automatizado es necesario disponer de elementos que

nos indiquen el estado del proceso o valor de la variable a controlar para que el sistema

actúe en consecuencia. 

La función de estos elementos es adaptar las variables de entrada (magnitud física o

química) en otro tipo de magnitud proporcional (normalmente en automatización es una

variable eléctrica) que pueda ser interpretable por el sistema y así se pueda realizar el

control del proceso.

 SENSOREs sensor o captador, como prefiera llamársele, no es más que un dispositivo diseñado

para recibir información de una magnitud del exterior y transformarla en otra magnitud,

normalmente eléctrica, que seamos capaces de cuantificar y manipular. Normalmente

estos dispositivos se encuentran realizados mediante la utilización de componentes

pasivos (resistencias variables, PTC, NTC, LDR, etc... todos aquellos componentes que

varían su magnitud en función de alguna variable), y la utilización de componentes

activos.

SENSORES DE PRESION

Suelen estar basados en la deformación de un elemento elástico cuyo movimiento es

detectado por un transductor que convierte pequeños desplazamientos en señales

eléctricas analógicas, más tarde se pueden obtener salidas digitales acondicionando la

señal. Pueden efectuar medidas de presión absoluta (respecto a una referencia) y de

presión relativa o diferencial (midiendo diferencia de presión entre dos puntos)

Generalmente vienen con visualizadores e indicadores de funcionamiento.

Se clasifican en:

Mecánicos

Neumáticos

Electromecánicos

Electrónicos

Sensores Mecánicos

Sensor Medición directa

Manómetros presión absoluta

Barómetros Manómetros de tipo U

Manómetros tipo Pozo

Sensores Elásticos

Tubo Bourdon

Diafragma

Fuelle

Sensor Medición directa

Miden la presión comparándola con la ejercida por un líquido de densidad y altura conocida Ejemplos: barómetro cubeta, manómetro de tubo en U, manómetro de tubo inclinado, manómetro de pozo

Manómetro de tubo en U

Barómetro

Manómetro de tubo inclinado: Se usa para presiones manométricas inferiores a 250mm de columna de agua.

Tubo de bourdon:

Tubo de sección elíptica que forma un anillo casi Completo, cerrado por un extremo. Al

aumentar la presión en el interior del tubo, éste tiende a enderezarse y el  movimiento es

transmitido a la aguja indicadora, por  medio de un sistema de piñón y cremallera. Material

del tubo: acero inoxidable, aleación de cobre o aleaciones especiales de Hastelloy y

Monel.

El diafragma

Consiste en una o varias capsulas circulares conectadas rígidamente entre si por la soldadura, de forma que al aplicar presión, cada capsula se deforma y la suma de los pequeños desplazamientos es amplificada por un juego de palancas.

El fuelle

Es parecido al diafragma compuesto, pero de una sola pieza flexible axialmente, y puede dilatarse o contraerse con un desplazamiento considerable.

Tabla de sensibilidad de presiones

Electromecánicos

Elemento mecánico elástico + transductor eléctrico. El elemento mecánico, consiste en un tubo Bourdon, espiral, hélice, diafragma, fuelle o

una combinación de los mismos.

Principios de funcionamiento de la instrumentación de presión electrónica

Para la medida de presión con transmisores de presión se requiere un sensor que capta

el valor de presión o la variación de la misma y lo convierte de manera exacta y precisa en

una señal eléctrica. La señal eléctrica indica el valor de presión recibida. Los cuatro

principios más importantes son la medida con sensores resistivos, sensores

piezoresistivos, sensores capacitivos y sensores piezoeléctricos

Medida con sensores resistivos

El principio de medida con sensores resistivos se basa en la medida de la variación de la

resistencia inducida por la deformación en función de la presión. La resistencia de un

Conductor eléctrico está definida por la ecuación:

Una tracción del conductor aumenta la longitud y reduce la superficie de sección con la

consecuencia de un aumento de la resistencia eléctrica, ya que la resistencia específica

se mantiene constante. Una deformación provocada por recalcado tendría el efecto

contrario.  Para la realización del principio se utiliza un cuerpo base que se deforma de

manera controlado al someterle a presión. A  menudo este cuerpo consiste en una

membrana con una parte fina. El valor de la deformación en función de la presión se mide

mediante una cinta extensométrica es decir conductores eléctricos metálicos tipo

meandro.

Habitualmente se encuentran cuatro cintas extensométricas en una membrana de las

cuales unas están ubicadas en el área de dilatación, otras en el área del recalcado. La

deformación de la membrana provoca la deformación de las cintas con el efecto de un

aumento proporcional de la resistencia  (dilatación) o de una reducción (recalcado). Para

realizar una medición precisa se conecta las cintas a un puente Wheatstone.

Sensores piezoresistivos

El principio de la medida con sensores piezoresistivos es similar al de los sensores

resistivos. La diferencia reside en la utilización de semiconductores como cintas

extensométricas en vez de metal y la deformación provoca en este caso una variación de

la resistencia específica.  Según la ecuación indicada arriba, la resistencia eléctrica

varía proporcional con la resistencia específica. Este efecto piezoresistivo con

semiconductores es de un factor 10 hasta 100 veces mayor que con metal.

Las cintas metálicas pueden colocarse en cualquier material mientras las cintas

semiconductoras están incorporadas como microstructura en la membrana. Por lo tanto

las cintas extensométricas y el cuerpo expuesto a la deformación están compuestos del

mismo material. Normalmente se incorpora cuatro cintas en una membrana de silicio

formando un puente de Wheatstone.

Dado que las microestructuras no presentan la suficiente resistencia contra numerosos

medios de proceso se encapsula el chip para la mayoría de las aplicaciones. La

transmisión de la presión se efectúa en este caso de manera indirecta, por ejemplo

mediante una membrana metálica o mediante aceite como medio de transmisión.

El gran volumen del efecto piezoresistivo permite la aplicación de estos sensores también

para presiones muy bajas. Sin embargo la elevada sensibilidad a efectos de temperatura

requiere una compensación de temperatura individual para cada sensor.

Sensores capacitivos

Este principio está basado en la medición de la capacidad de un condensador que varía

en función de la aproximación a la superficie activa. La capacidad de un condensador de

dos placas puede expresarse por la siguiente ecuación:

El principio de la medición capacitiva se realiza mediante

un cuerpo base cuya membrana  metálica, con recubrimiento metálico, constituye una de

las placas del condensador. La deformación de la membrana, inducida por la presión,

reduce la distancia entre las dos placas con el efecto de un aumento de la capacidad,

manteniendo igual la superficie y la constante dieléctrica.

Este sistema permite la medición de presión con elevada sensibilidad y por lo tanto la

medición de rangos muy bajos hasta unos pocos milibar. Dado que la membrana permite

una deformación máxima hasta apoyarse a la placa estática resulta una elevada

seguridad contra sobrecarga. Las limitaciones practicas están determinadas por el

material y las características de la membrana y las técnicas de unión y sellado.

Sensores piezoeléctricos

El principio de los sensores piezoeléctricos se basa en un efecto físico que sucede en

unos pocos cristales no conductivos como el cuarzo.  Cuando se comprime el cuarzo se

produce una polarización eléctrica en superficies opuestas. La deslocalización de la

estructura cristalina con carga eléctrica genera un momento dipolar que se refleja

en un una (aparente) carga de superficies. La intensidad de la carga es proporcional a la

fuerza empleada por la presión y la polaridad depende de la dirección. La tensión eléctrica

generada por la carga de la superficie puede captarse y amplificarse. El efecto

piezoeléctrico es apto únicamente para la medida de presiones dinámicas. En la práctica

se limita el uso de sensores piezoeléctricos a aplicaciones especiales. Ver también

un vídeo instructivo: Cómo ajustar el span y el punto cero de un transmisor de presión 

Elemento en espiral:  

Se forma arrollando el tubo Bourdon en forma de espiral alrededor de un eje común, y el helicoidal arrollando más de una espira en forma de hélice. 

Ideales como registradores

Diafragma:  

En éstos, al aplicar presión, el movimiento se

aproxima a una relación lineal en un intervalo de medida lo más amplio posible con un mínimo de histéresis. Material del diafragma: aleación de níquel o  inconel. Utilizado para pequeñas presiones

De fuelle:  

Parecido al anterior, solo que está conformado por  una sola pieza flexible axialmente, y puede  dilatarse o contraerse  con un desplazamientoconsiderable.

Material del fuelle: bronce fosforoso.

Utilizado para pequeñas presiones. 

Medidores de presión  

Consisten en un conjunto de fuelle y resorte opuesto a un fuelle  sellado al vacío absoluto. El movimiento resultante de la unión de  los dos fuelles equivale a la presión absoluta del fluido.

Material del fuelle: latón o acero inoxidable.  

Se utilizan para la medida exacta y el control preciso de bajas  presiones.  

Obs.: en la medida de presiones de fluidos corrosivos pueden emplearse  elementos primarios

elásticos con materiales especiales en contacto directo  con el fluido. Sin embargo, el la mayoría de los casos es más económicoutilizar un fluido de sello cuando el fluido es altamente viscoso y obtura el elemento, o bien cuando la temperatura del proceso es demasiado alta... Tal  ocurre en la medición de presión del vapor de agua en que el agua  condensada aísla el tubo Bourdon de la alta temperatura del vapor 

Neumáticos:  

Son los transmisores neumáticos 

Sistema Paleta – Tobera

Electromecánicos:

Elemento mecánico elástico + transductor eléctrico. 

El elemento mecánico, consiste en un tubo Bourdon, espiral, hélice, diafragma, fuelle o una combinación de los mismos.

Resistivos:  

Consisten en un elemento elástico que varía la resistencia óhmica de un potenciómetro en  función de la presión. Este está conectado a un puente de Wheastone

Los transductores resistivos son simples y su señal de salida es bastante potente como para proporcionar una corriente de salida suficiente para el funcionamiento de los instrumentos de  indicación sin necesidad de amplificación

Son sensibles a la vibración

La señal de salida no es continua, (salta de una espira a otra)

El intervalo de medida de estos sensores/transmisores corresponden al elemento de presión que  utilizan (tubo Bourdon, fuelle...) y varía en general de 0 a 300 Kg/cm2. La precisión es del  orden de 1-2%

Magnéticos: 

De inductancia variable.

El desplazamiento de un núcleo móvil dentro de una bobina aumenta la inductancia de ésta en  forma casi proporcional a la porción metálica del núcleo

contenida dentro de la bobina. Esto  hace aumentar la tensión inducida en el bobinado

No producen rozamiento en la medición

Tienen una respuesta lineal

Son pequeños y de construcción robusta

Su precisión es del orden del 1%

De reluctancia variable

Consisten en un imán permanente o un electroimán que crea un campo magnético dentro del  cual se mueve una armadura de material magnético 

El circuito magnético se alimenta con una fuerza magnetomotriz cte. con lo cual al cambiar la posición de la armadura varía la reluctancia y por lo tanto el flujo

magnético. Esta variación del flujo da lugar a una corriente inducida en la bobina que es, por tanto, proporcional al grado de  desplazamiento de la armadura móvil

Alta sensibilidad a las vibraciones

Sensibles a la temperatura

CAPACITIVOS:

Se basan en la variación de capacidad que se produce en un condensador al desplazarse una de sus placas por la aplicación depresión.

Consiste en dos condensadores con uno de capacidad fija (referencia) y el otro de capacidad  variable, la cual da la medida

Pequeño tamaño

Construcción robusta

Adecuados para medidas estáticas como dinámicas

Sensibles a la variación de temperatura

Su intervalo de medida es relativamente amplio, entre  0,5 - 600 bar y su precisión es del orden de 0,2 a 0,5%

Principios de funcionamiento de la instrumentación de presión electrónica

Para la medida de presión con transmisores de presión se requiere un sensor que capta el valor de presión o la variación de la misma y lo convierte de manera exacta y precisa en una señal eléctrica. La señal eléctrica indica el valor de presión recibida. Los cuatro principios más importantes son la medida con sensores resistivos, sensores piezoresistivos, sensores capacitivos y sensores piezoeléctricos

Medida con sensores resistivosEl principio de medida con sensores resistivos se basa en la medida de la variación de la resistencia inducida por la deformación en función de la presión. La resistencia de un conductor

eléctrico está definida por la ecuación:

Una tracción del conductor aumenta la longitud y reduce la superficie de sección con la consecuencia de un aumento de la resistencia eléctrica, ya que la resistencia específica se mantiene constante. Una deformación provocada por recalcado tendría el efecto contrario.  Para la realización del principio se utiliza un cuerpo base que se deforma de manera controlado al someterle a presión. A  menudo este cuerpo consiste en una membrana con una parte fina. El valor de la deformación en función de la presión se mide mediante una cinta extensométrica es decir conductores eléctricos metálicos tipo meandro.Habitualmente se encuentran cuatro cintas extensométricas en una membrana de las cuales unas están ubicadas en el área de dilatación, otras en el área del recalcado. La deformación de la membrana provoca la deformación de las cintas con el efecto de un aumento proporcional de la resistencia  (dilatación) o de una reducción (recalcado). Para realizar una medición precisa se conecta las cintas a un puente Wheatstone.

Sensores piezoresistivosEl principio de la medida con sensores piezoresistivos es similar al de los sensores resistivos. La diferencia reside en la utilización de semiconductores como cintas extensométricas en vez de metal y la deformación provoca en este caso una variación de la resistencia específica.  Según la ecuación indicada arriba, la resistencia eléctrica varía proporcional con la resistencia específica.

Este efecto piezoresistivo con semiconductores es de un factor 10 hasta 100 veces mayor que con metal.Las cintas metálicas pueden colocarse en cualquier material mientras las cintas semiconductoras están incorporadas como microstructura en la membrana. Por lo tanto las cintas extensométricas y el cuerpo expuesto a la deformación están compuestos del mismo material. Normalmente se incorpora cuatro cintas en una membrana de silicio formando un puente de Wheatstone.

Dado que las microestructuras no presentan la suficiente resistencia contra numerosos medios de proceso se encapsula el chip para la mayoría de las aplicaciones. La transmisión de la presión se efectúa en este caso de manera indirecta, por ejemplo mediante una membrana metálica o mediante aceite como medio de transmisión.

El gran volumen del efecto piezoresistivo permite la aplicación de estos sensores también para presiones muy bajas. Sin embargo la elevada sensibilidad a efectos de temperatura requiere una compensación de temperatura individual para cada sensor.

Sensores capacitivosEste principio está basado en la medición de la capacidad de un condensador que varía en función de la aproximación a la superficie activa. La capacidad de un condensador de dos placas puede expresarse por la siguiente ecuación:

El principio de la medición capacitiva se realiza mediante un cuerpo base cuya membrana  metálica, con recubrimiento metálico, constituye una de las placas del condensador. La deformación de la membrana, inducida por la presión, reduce la distancia entre las dos placas con el efecto de un aumento de la capacidad, manteniendo igual la superficie y la constante dieléctrica.Este sistema permite la medición de presión con elevada sensibilidad y por lo tanto la medición de rangos muy bajos hasta unos pocos milibar. Dado que la membrana permite una deformación máxima hasta apoyarse a la placa estática resulta una elevada seguridad contra sobrecarga. Las limitaciones practicas están determinadas por el material y las características de la membrana y las técnicas de unión y sellado.

Sensores piezoeléctricos

El principio de los sensores piezoeléctricos se basa en un efecto físico que sucede en unos pocos cristales no conductivos como el cuarzo.  Cuando se comprime el cuarzo se produce una polarización eléctrica en superficies opuestas. La deslocalización de la estructura cristalina con carga eléctrica genera un momento dipolar que se refleja en un una (aparente) carga de superficies. La intensidad de la carga es proporcional a la fuerza empleada por la presión y la polaridad depende de la dirección. La tensión eléctrica generada por la carga de la superficie puede captarse y amplificarse. El efecto piezoeléctrico es apto únicamente para la medida de presiones dinámicas. En la práctica se limita el uso de sensores piezoeléctricos a aplicaciones especiales. Ver también un vídeo instructivo: Cómo ajustar el span y el punto cero de un transmisor de presión 

Instrumento de columna de líquido: 

Una de las formas más simples de medir presión es la de utilizar líquido en un tubo en U en que la presión que se desea medir se conecta a uno de los extremos y la presión de referencia se conecta al otro extremo. Si la presión de referencia conectada es el vacío, la presión que se mide es la presión absoluta. Si es la atmosférica se está midiendo la presión relativa y si se conecta cualquier otra presión se está midiendo presión diferencial. 

Instrumentos de Bourdon: 

El principio de funcionamiento consiste en un tubo de sección con forma de elipse. Al ser sometido a presiones crecientes las fuerzas resultantes sobre las distintas áreas del bourdon tienden a darle forma circular, produciendo un movimiento del extremo del bourdon que es función de la presión. 

Instrumentos a diafragma: 

El diafragma es una fina lámina de metal generalmente circular soportada por sus bordes y que se deforma por la aplicación de presión. Puede ser una chapa lisa pero lo más común es que sea corrugada. La deformación que sufre la lámina es función de la presión ejercida. 

Instrumentos a fuelle: Existen elementos huecos con forma de fuelle, cerrados en un extremo, que se utilizan para las mediciones de presión. Del fuelle se aprovecha la capacidad de generar importantes movimientos o fuerzas al ser sometido a una presión de proceso. Se utiliza como material para construcción de fuelles el cobre, el acero inoxidable y si es necesario materiales especiales. 

Instrumentos a pistón:

El uso más frecuente de este elemento primario es como presóstato. Estos instrumentos poseen un pistón que se desplaza por  un cilindro donde el cabezal separa herméticamente dos cámaras. En una se aplica la presión de proceso y en la otra vacío, presión atmosférica u otra  presión de proceso, de acuerdo a la función que se le quiera dar. 

TRANSMISORES DE PRESION: 

Existen distintas formas de transformar la  información que suministra el elemento primario en señal de 4 a 20 mA o digital: Strain Gage (celda de cambio de resistencia por tracción): Si la presión  se Convierte en fuerza y se aplica esta como un esfuerzo de tracción axial  sobre un conductor (que puede estar soportado por algún medio elástico) la  longitud del mismo aumenta y la sección disminuye. Esto produce una  variación en la resistencia que se puede medir (por ejemplo con un puente de Wheatstone) y transformar en una señal utilizable proporcional a la  presión. 

Sistemas Capacitivos: 

En este sistema se utiliza el hecho de que un  capacitor modifica su capacitancia en función de la distancia entre sus dos  placas. Si se incluye alguno de los elementos primarios entre las placas de un capacitor, los desplazamientos debidos a variaciones de presión en el  fluido producirán cambios del valor de la capacidad, que podrán ser  utilizados por circuitos eléctricos para producir la señal adecuada de salida. 

Tecnología Resonante: 

Cuando a un elemento flexible se lo somete a niveles variables de tensión mecánica, la frecuencia de resonancia de este elemento es directamente proporcional a la tensión aplicada. Este principio fue usado para el desarrollo de elementos sensores de presión que fueron  denominados tipo “cuerda vibrante” o “alambre resonante”. 

Sistemas Piezoeléctricos: 

El fenómeno piezoeléctrico consiste en el cambio  de las características eléctricas de ciertos elementos sometidos a  deformación. Estos cambios pueden sensarse y transformarse en señales transmisibles. Los movimientos de los elementos primarios actúan sobre la  pastilla piezoeléctrica, la que produce cambios eléctricos que son  convertidos en señales normalizadas por medio de circuitos eléctricos. 

Tecnología Reluctancia Variable: 

El arreglo constructivo consiste en montar dos núcleos magnéticos (típicamente de ferrito) solidarios a cada lado de un  diafragma sensor. Estos núcleos se desplazan en el interior de dos bobinas produciendo un cambio de reluctancia (la reluctancia es el equivalente a la  resistencia eléctrica pero en un circuito magnético). Un circuito eléctrico,  que excita a las bobinas con una corriente alterna de aproximadamente 5  Khz. mide la variación de las impedancias de las bobinas y la transforma en una señal de salida de 4-20 MA. 

http://www.monografias.com/trabajos105/sensores-presion/sensores-presion.shtml