Instrumentacion Industrial: Transductores electromecánicos de Presión

Los elementos electromecánicos utilizan un elemento mecánico elástico en combinación con un transductor eléctrico el cual genera una señal eléctrica de salida. El elemento mecánico convierte la presión a medir en una fuerza o en un desplazamiento el cual es detectado con el transductor eléctrico.

Dentro de la clasificación de los transductores y/o transmisores utilizados en los elementos electromecánicos se encuentran los Resistivos o Potenciométricos, Magnéticos, Capacitivos, Extensométricos y Piezoeléctricos.

Resistivos o Potenciométricos

Estos se basan en que el desplazamiento provocado por un elemento elástico el cual hace variar la resistencia de un potenciómetro en función de la presión. Existen varios tipos de potenciómetros a utilizar: de grafito, de resistencia embobinada, de película métalica y plástico moldeado. La señal de salida de estos transductores es bastante potente, por lo que no es necesario una etapa de amplificación a la salida, sin embargo son insensibles a pequeñas variaciones del cursor y son sensibles a vibraciones. No suelen ser muy estables.

Capacitivos:

El funcionamiento básico de éste tipo de transductores consiste en dos placas paralelas separadas por un dieléctrico. La variación de capacitancia puede ser obtenida por cambios de la distancia entre placas, cambios en el área de las placas o cambios físicos o químicos en el dieléctrico.
De este modo se tienen dos condensadores uno de capacidad fija o de referencia y el otro de capacidad variable, que pueden compararse en circuitos oscilantes o bien en circuitos de puente de Wheatstone alimentados con corriente alterna.

Se caracterizan por ser de tamano pequeno y su robusta construcción, son adecuados para mediciones estáticas y dinámicas, su senal de salida es débil por lo que se requiere una etapa amplificadora a la salida del transductor, son sensibles a la temperatura.

La capacitancia esta dada por ejemplo:
C=(0.225*A*K)/x
Donde
A= Area comun
K= Ctte. Dieléctrica
x= Dist. De las Placas

Magnéticos:

Transductores magnéticos. Los transductores magnéticos básicamente son de dos tipos:

Transductores de inductancia variable en los que el desplazamiento de un núcleo móvil dentro de una bobina varía la inductancia casi proporcional al desplazamiento del núcleo. Dentro de este tipo de transductores también se utiliza el LVDT.

Transductores de reluctancia variable, en este caso se tiene un imán permanente que crea un campo magnético dentro del cual se mueve una armadura de material magnético. Al cambiar la posición de la armadura varía la reluctancia y por consiguiente el flujo magnético, esta variación del flujo provoca una corriente inducida en la bobina que es proporcional al desplazamiento de la armadura.

Al aplicar la presión al elemento elástico, éste desplaza el núcleo de la bobina o la armadura, generándose una senal eléctrica proporcional a la presión.

Piezoeléctricos.

Estos dispositivos utilizan las características piezoeléctricas de ciertos cristales y materiales cerámicos para generar una señal eléctrica.
El denominado efecto piezoeléctrico fue descubierto por Pierre y Jacques Curie en 1880, cuando descubrieron que al aplicar presión a un cristal de cuarzo se podía generar una carga eléctrica. Estudios posteriores han revelado que existen unos 40 materiales cristalinos que cumplen esta propiedad. Estos elementos électricos,son materiales cristalinos que al deformarse físicamente por la acción de una presión, generan una senal eléctrica. La señal de respuesta varía en forma lineal con la presión de entrada, son adecuados para medidas dinámicas ya que son capaces de responder a frecuencias del orden de 1 MHz. Son elementos pequeñoos de construcción robusta sin embargo son sensibles a cambios de temperatura; requiere de amplificadores.

Hay dos tipos básicos de cristales; los naturales y los sintéticos, siendo estos últimos “cristales” cerámicos de los que el titanato de bario fue el primero con aplicaciones comerciales. Se descubrió que la adición de impurezas controladas tales como el titanato de calcio, mejoraba alguna de las características de los cristales. Esto dio como resultado que los cerámicos sean utilizados con mayor frecuencia en la producción de transductores piezoeléctricos.

Los piezoeléctricos son dispositivos de alta impedancia, por esto solo pueden suministrar corrientes muy pequeñas. Si la temperatura es elevada lo suficiente, punto Curie, estos materiales pueden perder sus propiedades. Debe notarse que una limitación de los piezoeléctricos es que no tienen buena respuesta a la aplicación de una fuerza constante, pero su respuesta es adecuada para la medición de fuerzas mecánicas cambiantes. Su respuesta en frecuencia va desde unos pocos Hertz hasta el nivel de Mega Hertz.

Carga inducida sobre el Cristal:
Q=d*F

F=Fuerza
D=Ctte piezoeléctrica

Voltaje de Salida:
Eo=Se*h*(Q/d)

Extensométricos

También llamados galgas extensométricas o strain gage. Se basan en la variación de longitud y de diámetro, por lo tanto de resistencia, que tiene lugar cuando un hilo de alambre se encuentra sometido a una tensión mécanica por la acción de la presión. El cambio de resistencia que acompaña al esfuerzo se debe a cambios geométricos y a cambios en la resistividad del material. Cumplen la siguiente relación:

R=ρ L / A