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

Donde:

L=Longitud

A= área de la ssección transversal

ρ= Resistividad del material.

Pueden ser de tres tipos: De alambre, laminar y semiconductor

Métodos de Medición de Presión

A pesar de que la presión es una de las variables más comunes en los procesos industriales, no puede ser medida directamente. Generalmente, es utilizado un dispositivo mecánico que convierte el cambio de presión en un desplazamiento y este a su vez es convertido en una señal eléctrica utilizando para ello un transductor eléctrico.

Transductores Mecánicos:

Los elementos primarios elásticos, se basan en aplicar la presión a medir en el interior del dispositivo, el cual tiende a expanderse o comprimirse y este movimiento es transmitido a una aguja indicadora u otro mecanismo de acoplamiento.Los transductores más representativos de este tipo son el tubo de Bourdon, el diafragma y el fuelle, entre otros.


El tubo de Bourdon. Es un tubo de sección elíptica que forma una anillo casi completo, cerrado por un extremo. Al aumentar la presión en el interior del tubo, éste comienza a enderezarse y el movimiento es transmitido a una aguja indicadora por un sector dentado y un pinón. Para el tubo de Bourdon los material más usados son: el acero inoxidable, la aleación de cobre y aleaciones hastelloy y monel.
El elemento en espiral se forma enrrollando el tubo de Bourdon en forma espiral alrededor de un eje. Se utiliza para mediciones de presión de 0.5 a 100.000 psi.

El diafragma. Consiste en uno o varios discos circulares que se encuentran conectados rígidamente de forma tal que al aplicar una presión, cada disco se deforma , y la suma de éstos pequenos desplazamientos es amplificada por un par de palancas. Los materiales utilizados en los diafragmas son la aleación de níquel o inconel, la cerámica, el aluminio, y el silicio. Existen diversos tipos de diafragmas tales como corrugado, plano, horizontal, de cápsula, etc.
El diafragma de tipo horizontal consiste en un disco circular metálico cuyos bordes se encuentran fijos dentro de una cámara, donde una de las caras del diafragma esta en contacto con el fluido que está bajo presión, lo cual provocará una deformación en el diafragma, que es proporcional a la presión ejercida. Si se utilizan dos diafragmas de este tipo se obtiene un diafragma de cápsula, el cual soporta mayores presiones, ocasionando mayores deformaciones debido a que se conectan en serie los diafragmas, permitiendo medir presiones absolutas y diferenciales.
Se emplean para pequeñas presiones en el intervalo de 0,071 - 28,466 psi

El fuelle: es parecido al diafragma de cápsula, pero es una sola pieza flexible axialmente y puede dilatarse y contraerse con un desplazamiento considerable.
Para pequeñas presiones en el intervalo de 0,142 - 28,466 psi.

Estos dispositivos mecánicos estudiados se pueden conectar a un sistema de relojería, el cual, amplifica el desplazamiento y lo transforma en rotación angular, que se detecta mediante una aguja ubicada sobre una escla graduada en unidades de presion. Este recibe por nombre Manómetro.

Presión en líquidos y gases

Los fluidos, ejercen fuerza y a partir de ella se puede determinar la presión.
En un tanque abierto la presión manométrica ejercida por un fluido en un tanque abierto es función de tres parámetros fundamentales: P = f (h, SG, T) la altura del punto de medición, la gravedad específica del líquido confinado y la temperatura.
Los gases pueden estar en tanques confinados, tomando la forma del recipiente que los contiene y los líquidos pueden estar en tanques abiertos y cerrados. El gas no tiene forma definida debido a que se expande para llenar completamente el volumen del recipiente y ejerce una fuerza igual en toda la superficie del recipiente. La altura del gas por encima del punto de medición no es factor crítico cuando se selecciona un punto de medición para gases. Por lo general hay dos factores que influyen en la fuerza que un gas ejerce sobre las paredes de un recipiente:
Volumen del recipiente y Temperatura del gas.

Ley de Boyle: A temperatura constante, el volumen ocupado por un gas es inversamente proporcional a la presión a la que esta sometido. P = a / V donde:

P = Presión.
a = Constante, cuyo valor queda determinado al fijar la masa del gas y su temperatura.
V = Volumen.

Si el volumen del recipiente que contiene el gas es constante, entonces la presión ejercida por el gas sobre las paredes del recipiente varía directamente con la temperatura del mismo. (Ley de Charles)
P = a×T a volumen constante.

Presión

Definición:

Junto con la temperatura, la presión es la variable más comúnmente medida en plantas de proceso. Su persistencia se debe, entre otras razones, a que la presión puede reflejar la fuerza motriz para la reacción o transferencia de fase de gases; la fuerza motriz para el transporte de gases o líquidos; la cantidad másica de un gas en un volumen determinado. Es también común medir la presión en una línea para cuantificar caudal, cuando se conoce la pérdida de carga; o pérdida de carga cuando se conoce el caudal.

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.

La presión queda determinada por la razón de una fuerza al área sobre la que actúa la fuerza. Así, si una fuerza F actúa sobre una superficie A, por lo tanto la presión P queda estrictamente definida por la razón P = F / A. Dado que tanto la fuerza como el área son de naturaleza vectorial, la presión es una magnitud escalar (es decir, sólo tiene magnitud, no dirección).


La presión puede medirse tanto en valores absolutos o diferenciales. En la siguiente figura se indican las clases de presiones que los instrumentos miden comúnmente en la industria.

Presión Absoluta


Dentro de un dispositivo o recipiente, la Presión Absoluta es la Presión que se mide con respecto o por encima de la Presión de Cero Absoluto (A y A'). 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. Este término 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 Atmosférica

Es la Presión que ejerce la atmósfera sobre los cuerpos sumergidos en ella. En un nivel determinado, la presión atmosférica es igual al peso de la columna de aire existente encima de dicho nivel (E, E'). La presión del aire sobre la superficie de la Tierra es diferente en los distintos lugares. Esto se debe a la diferente cantidad de calor que reciben Cuando el aire se eleva, deja abajo un área de baja presión, porque al ascender ya no presiona sobre la superficie tan fuertemente. Cuando el aire desciende, empuja con más fuerza sobre la superficie formando áreas de alta presión. Al nivel del mar, su valor normal se considera de 760 mm Hg (1.013 mbar), mientras que a una altura de 5.500 m este valor se reduce a la mitad. El aire frío pesa más que el caliente, y éste es uno de los factores que influyen en las diferencias de presión atmosférica a un mismo nivel.

Presión Manométrica

La presión manométrica es la presión que ejerce un sistema en comparación con la presión atmosférica. La presión manométrica se mide tomando la presión atmosférica como referencia. Esto es porque prácticamente todos los medidores de presión o manómetros, indican cero cuando están comunicados con la atmósfera e indican solo la diferencia de presión entre el fluido con que están comunicados y el aire ambiente.
La presión puede obtenerse adicionando el valor real de la presión atmosférica a la lectura del manómetro (B,B',B'').
Presión Absoluta = Presión Manométrica + Presión Atmosférica.

Presión de vacío

Se refiere a presiones manométricas menores que la atmosférica, que normalmente se miden, mediante los mismos tipos de elementos con que se miden las presiones superiores a la atmosférica, es decir, por diferencia entre el valor desconocido y la presión atmosférica existente (D,D',D''). Los valores que corresponden al vacío aumentan al acercarse al cero absoluto y por lo general se expresa a modo de centímetros de mercurio (cmHg), metros de agua, etc.
Si la presión es menor que la atmosférica, se la llama vacío y su valor manométrico es el valor de la presión en que está por debajo de la presión atmosférica. Un "alto vacío" es en realidad una bajísima presión absoluta. El vacío absoluto correspondería a cero.
De la misma manera que para las presiones manométricas, las variaciones de la presión atmosférica tienen solo un efecto pequeño en las lecturas del indicador de vacío.
Sin embargo, las variaciones pueden llegar a ser de importancia, que todo el intervalo hasta llegar al cero absoluto solo comprende 760 mmHg.

Unidades de Medida

Dado que el Pascal (Newton/m2), es la unidad estándar, las equivalencias de las demás medidas las expresaremos en función de esta medida, a continuación:
1 Pa=0,00014 psi

1 Pa=0,0039 pulgadas de agua

1 Pa=0,00029 pulgadas de Hg

1 Pa=0,987x10-5 Atmf

1 Pa=0,102x10-4 kg/cm2

1 Pa=0,01 cm de agua

1 Pa=0,0075 mm de Hg

1 Pa=10-5 Bar