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Technical Documents - Documentos Técnicos: Instrumentación industrial. Medición de la presión. Instrumentos electrónicos. Strain Gages. Transductores.
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c. Instrumentos electrónicos Una desventaja común que presentan los instrumentos mecánicos, es el método utilizado para transmitir el movimiento del elemento de medición de presión a un indicador, tal como un puntero o una plumilla. Un eslabón mecánico, sufre de desgaste, tiene un alto grado de histéresis, lo cual limita la precisión, velocidad de respuesta y repetibilidad de la medición. Los avances en la tecnología electrónica han dado la respuesta a este problema, sensando electrónicamente el movimiento del elemento de medición de presión. El resultado de esto es: respuesta mucho más rápida, menor desgaste e histéresis, mejor compensación de la temperatura, y una salida, la cuál es una señal eléctrica proporcional al movimiento del elemento de presión. Esta señal puede ser aplicada y condicionada luego para que reúna los requerimientos del sistema de control. La mayoría de los instrumentos electromagnéticos de presión, incorporan uno de los instrumentos primarios de medición de presión discutidos previamente (instrumentos elásticos). El hecho de que la energía del proceso sea transformada en una señal eléctrica, a partir de un movimiento mecánico, hace que a estos instrumentos se les dé el nombre de “Transductores”. Entre estos instrumentos electromagnéticos utilizados para medir presión se pueden mencionar:
La mayoría de los transductores de presión mencionados anteriormente, utilizan un circuito eléctrico básico, conocido como circuito de puente Wheatstone. Algunas características de un circuito de puente de Wheatstone son: La figura 7 muestra un diagrama básico de un circuito de un puente de Wheatstone. Los cuatro elementos del puente pueden ser inductancias, capacitadores o resistencias. Para la medición de presión, generalmente se utilizan resistencias. En cualquiera de estos casos, un pequeño cambio en una de las resistencias del puente produce un cambio instantáneo del voltaje a través de los extremos del puente. De este modo, el voltaje de salida, es una función de voltaje de entrada y de las resistencias del puente. Tomando como referencia la figura 7 se tiene:
Si las resistencias de los cuatro elementos del puente son afectadas por la temperatura en la misma forma, cualquier cambio tiende a balancearlas evitando errores inducidos por variaciones en la temperatura, los cuales, de otro modo, se detectarían como un cambio en la presión.
Figura 7. Puente de Wheatstone
Si la salida de un sensor de presión se transmite a una de las ramas del puente, el desbalance resultante en el voltaje debido a una variación de presión, puede ser amplificado, escalado y calibrado en unidades de presión. Ciertos semiconductores, tales como la silicona, son piezoresistivos (cambios en la resistencia debido a esfuerzo). De este modo las resistencias de un circuito del puente de Wheatstone pueden ser implantadas, o "difundidas" en un circuito muy pequeño (chip). Si esto se conecta apropiadamente a un sensor de presión tipo diafragma, proporcionará una señal analógica repetitiva, proporcional a la presión aplicada al diafragma. • Strain Gage (Galgas Estensométricas): los transductores de presión tipo Strain Gage proporcionan un medio conveniente y confiable para medir presión de gases y líquidos. Son especialmente adecuados para ser utilizados en sistemas viscosos y corrosivos. Un Strain Gage (galga estensométrica), es un mecanismo que utiliza el cambio de la resistencia eléctrica de un alambre o elemento semiconductor de resistencia, sometido a esfuerzo, para medir presión. El Strain Gage cambia un movimiento mecánico en una señal eléctrica cuando la resistencia varía por compresión o tensión. El cambio en la resistencia es una medida de la presión que produce la distorsión mecánica. La figura 8 ilustra el principio de operación de un Strain Gage.
Figura 8. Principio de operación de un sensor con Strain gage. Independientemente del tipo de Strain Gage utilizado, casi siempre se emplea un circuito eléctrico con un puente de Wheatstone. La variación en la resistencia cambia el voltaje de salida del puente. Esta señal frecuentemente requiere compensación por cambios en la temperatura del proceso. El método más común para realizar esta compensación, es utilizando una resistencia de compensación en el puente de Wheatstone. Ventajas:
Desventajas:
• Transductores resistivos: Estos transductores operan bajo el principio de que un cambio en la presión produce un cambio en la resistencia del elemento sensor. Están constituidos por un elemento elástico (tubo Bourdon, fuelle, diafragma), el cual hace variar la resistencia de un potenciómetro en función de la presión. La figura 9 muestra dos tipos de transductores resistivos. En uno de ellos el elemento sensor lo constituye un fuelle y el otro un diafragma. La figura 10 muestra un tipo de transductor resistivo en el cual no se utiliza un elemento elástico como sensor.
Figura 9 - Transductores resistivos de fuelle y diafragma
Figura 10. Transductor resistivo de temperatura En este caso, la variación en la resistencia se produce por una variación en la temperatura. El principio de operación es el siguiente: se hace pasar corriente eléctrica a través de un filamento colocado en una cámara presurizada; por efecto de esta corriente el filamento se calienta. La temperatura del filamento y por consiguiente su resistividad varían inversamente con la presión del gas. El elemento sensor está constituido por dos bulbos o cámaras presurizadas: una de medición, y otra de referencia. El elemento resistivo está constituido por un filamento de platino o tungsteno. Este tipo de medidor se puede utilizar para medir densidad, presión o velocidad de gases. Su construcción es simple y no requiere de amplificación. • Transductores Capacitivos: La figura 11 muestra un sensor de presión que utiliza capacitancias en vez de resistencias como elementos del puente de Wheatstone. En este caso, el elemento sensor es un diafragma que está en contacto con la presión del proceso. Cuando la presión aplicada produce una deflexión en el diafragma, la capacitancia del elemento cambia en proporción a la presión aplicada; ya que la capacitancia es función del material dieléctrico entre las placas del capacitor y de las distancias entre las placas. Este cambio en la capacitancia produce un cambio en la señal de voltaje d.c. del circuito del puente. Esta variación de voltaje se convierte en una señal estándar de 4-20 mA. Estos transductores pueden censar presiones bajas, se usan frecuentemente en transmisores de presión manométrica así como diferencial y en aplicaciones de medición de presión, flujo y nivel. Ventajas:
Desventajas:
Figura 11. Transductor de presión capacitivo
Figura 12. Transductor de inductancia - Transductores magnéticos: Existen dos tipos, los de inductancia variable y los de reluctancia variable. - Transductores de Inductancia Variable: Utilizan una bobina con un núcleo magnético móvil. La inductancia en la bobina varía proporcionalmente según la posición que ocupe el núcleo dentro de la bobina. De este modo, variaciones de presión sobre el sensor producen cambios en la posición del núcleo, lo que a la vez origina un cambio en la inductancia (figura 12). Este tipo de sensor ha venido siendo utilizado para detectar pequeños desplazamientos de cápsulas y otros instrumentos. - Transductores de Reluctancia Variable: En este caso existe un electroimán que crea un campo magnético dentro del cual se mueve una armadura de material magnético. El circuito magnético se alimenta de una fuerza magnetomotriz constante, de este modo, al variar la presión en el sensor, varía la posición de la armadura produciéndose un cambio en la reluctancia y por lo tanto el flujo magnético. Los dos tipos de transductores magnéticos utilizan como sensor un elemento elástico y circuitos eléctricos constituidos por un puente de Wheatstone. Aplicaciones: estos transductores se utilizan en algunos instrumentos para medición de presión absoluta, manométrica y diferencial, y en aplicaciones de medición, flujo y nivel. También se utilizan en ciertos convertidores presión/voltaje.
Figura 13. Transductor de reluctancia variable Transductores piezoeléctricos: La piezoelectricidad se define como la producción de un potencial eléctrico debido a la presión sobre ciertas sustancias cristalinas como el cuarzo, titanato de bario, etc. En un sensor piezoeléctrico la presión aplicada sobre varios cristales producen una deformación elástica. Un semiconductor piezoresistivo se puede describir como un elemento que produce un cambio en la resistencia, causado por un esfuerzo aplicado sobre un diafragma. De esta manera, resistencias de estado sólido se pueden utilizar como instrumentos de presión, del mismo modo que los alambres de un Strain Gage, pero con varias ventajas. La alta sensibilidad o factor de medida es aproximadamente 100 veces mayor que en los Strain Gages de alambre. Las piezoresistencias están difundidas en un medio homogéneo de silicona cristalino. De esta manera, las resistencias están integradas al elemento sensor. La figura 14 muestra un corte transversal del elemento sensor con los cables soldados a los contactos metálicos. El elemento sensor está formado por cuatro piezoresistencias iguales difundidas o ensambladas en la superficie del diafragma delgado de silicona. Contactos de oro en la superficie del diafragma de silicona proveen la conexión a las piezoresistencias. Un cambio en la presión hace que el diafragma se deforme, induciendo un esfuerzo en él y también en la resistencia. El valor de la resistencia cambiará dependiendo de la cantidad de presión aplicada al diafragma.
Figura 14. Transductor piezoeléctrico Los transductores de presión estudiados anteriormente pueden ser utilizados para medir presiones absolutas, diferenciales o manométricas. En la tabla 2 se resumen los rangos de operación y exactitudes aproximadas para estos tipos de instrumentos.
Figura 16. Cableado típico de un transmisor de presión
Figura 17. Montaje de un transmisor de presión
Figura 18. Vista explotada de un transmisor de presión |
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