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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 - Sensores de fuerza o presión, transductores y transmisores

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.

Hay una distinción clara entre el sensor de presión y un transductor de presión. El sensor proporciona la base de la medición, el transductor convierte la energía de una forma a otra.

En los instrumentos de presión completamente mecánicos descritos anteriormente, un resorte puede proporcionar la restauración de fuerza y, por medio de vínculos y de la palanca, amplificar y transmitir el valor de sensor a un indicador, grabador, o controlador mecánicamente operado.

En los de presión neumática, una contrapresión de aire actúa sobre el diafragma, fuelle, bourdon, u otro elemento elástico para igualar la presión detectada (proceso). Un sistema de balance fuerza o posición puede ser utilizado en los instrumentos neumáticos.  Los transductores de corriente a presión utilizados para la operación del control neumático diafragma

En los transductores electrónicos u electro-ópticos, los valores de sensor son convertidos en cantidades eléctricas (corriente, resistencia, capacitancia, resistencia, y alteraciones en las salidas piezoeléctricas y ópticos).

La invención de la banda extensométrica ( galga extensométrica, strain gage) sirvió de impulso inicial para utilizar transductores eléctricos. Hay numerosas ventajas para un gran número de aplicaciones que  derivan de una cierta forma de transducción electrónica. Estas unidades son muy pequeñas, son fáciles de integrar en las redes eléctricas, y numerosas otras características electrónicas se pueden añadir a los transductores y transmisores, incluyendo verificaciones incorporadas de la calibración, compensación de temperatura, autodiagnóstico, acondicionamiento de señales y otras características, que pueden ser derivadas a partir de la integración de un microprocesador en la unidad sensor-transductor transmisor.

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:

  • o Estensómetros.
  • Transductores Resistivos.
  • Transductores Capacitivos.
  • Transductores Magnéticos.
  • Transductores Piezoeléctricos.

• Strain Gage (también galgas o bandas 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.

Estos dispositivos se han utilizado ampliamente en la presión y células de peso de carga durante varios años. Las galgas extensométricas generalmente se montan directamente sobre el sensor de presión o elemento de suma de fuerza. Pueden ser soportadas directamente por diafragmas de detección o unidas a resortes en voladizo, que actúan como una fuerza de restauración.

Con el fin de hacer uso del principio de funcionamiento básico de la galga extensométrica de resistencia adherida  (es decir, el cambio en la resistencia proporcional a la  deformación), la entrada de la galga debe estar conectado a un circuito eléctrico capaz de medir pequeños cambios en la resistencia. Debido a que los cambios de resistencia inducidos por la galga son pequeños (típicamente 0,2 por ciento para valor de salida a plena escala en una galga activa), las galgas están conectados a un Puente de Wheatstone. Un puente de Wheatstone es un circuito diseñado para medir con precisión pequeños cambios. Se lo puede utilizar para determinar lecturas tanto dinámicas como estáticas del extensómetro. El puente de Wheatstone tiene también ciertas propiedades de  compensación.

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.

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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.

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.

La sensibilidad del extensómetro comúnmente se llama el factor de galga cuando se refiere a un material extensómetro específico. La relación de Poisson para la mayoría de los alambres es de aproximadamente 0,3. La sensibilidad del extensómetro de galga o factor de galga es de aproximadamente 1,6 cuando se considera sólo el aspecto de cambio dimensional. Esto significa que un 0,1 por ciento de aumento en la longitud dentro del rango elástico debe producir un aumento de la resistencia de 0,16 por ciento.

Cuando se llevan a cabo pruebas reales, un metal o aleación exhibe valores diferentes de sensibilidad de la galga a diferentes temperaturas.

 

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.

La galga extensométrica ideal cambiaría la resistencia de acuerdo con las deformaciones de la superficie a que está unida y no por otra razón. Sin embargo, la resistencia de la galga se ve afectada por otros factores, incluyendo la temperatura. Cualquier cambio de resistencia en la galga no causada por tensión se denomina tensión  aparente. La tensión aparente puede ser causada por un cambio en el factor de galga debido a la temperatura (coeficiente térmico del factor de galga), por un cambio en la resistencia debido a la temperatura (coeficiente térmico de la resistencia), por la estabilidad del metal, e incluso por las propiedades del adhesivo que une los extensómetros a la superficie que se mide. Muchas de las mejoras en los materiales de extensómetro se han hecho en los últimos años, reduciendo así los efectos de la tensión aparente.

 

Ventajas:

  • Muy buena exactitud (0,1 %).
  • No sensible a golpes y vibración.
  • Rango entre 10 y 10.000 psi.
  • Excelente estabilidad.
  • Buena repetibilidad.
  • Efecto de temperatura despreciable si se compensa.

Desventajas:

  • Limitaciones por alta temperatura.
  • Requiere compensación por temperatura.
  • Requiere fuente de poder externa.
  • Requiere conversión de señal.

Sistemas de galga extensométrica adherida

Aunque aumentar el factor de galga vuelva a la misma más sensible a la tensión,  también se aumentan los efectos indeseables de temperatura. Así el tamaño pequeño se prefiere de modo que la galga puede ser colocada cerca de la zona de tensión elevada. Una alta resistencia permite mayor tensión excitación de entrada y por lo tanto una salida en milivoltios más grande con un menor consumo de energía.

Las galgas extensométricas adheridas se realizan con conductores de aleación de metal especial con resistividades altas, altos factores de galga y bajos coeficientes de temperatura.

Agentes adhesivos para bandas extensométricas.

La importancia del adhesivo que une las bandas (galgas) extensométricas a la estructura metálica bajo prueba o como parte de un transductor no se puede subestimar. Un adhesivo ideal debe ser adecuado para su entorno previsto, transmitir toda la tensión de la superficie a la galga, tener alta resistencia mecánica, aislamiento eléctrico elevado, aislamiento térmico bajo, y ser muy delgada. Además, no deben ser afectados por los cambios de temperatura. El adhesivo debe proporcionar una unión fuerte mientras aísla eléctricamente la galga de la superficie a la que está unida. El aislamiento eléctrico es necesario porque la mayoría de las estructuras a las que se adhieren las galgas harían cortocircuitar eléctricamente los elementos si no existiera una separación galvánica. En una típica instalación de galga extensométrica, el aislamiento eléctrico entre la galga y la superficie de la muestra debe ser de al menos 1000 MΩ a temperatura ambiente y 50 voltios DC. El aislamiento eléctrico (corriente de fuga) se convierte en un problema con agentes adhesivos a altas temperaturas y en ambientes de alta humedad. A altas temperaturas, incluso los materiales cerámicos comienzan a exhibir una pérdida del aislamiento eléctrico. Esta es una de las más severas limitaciones en el rendimiento de la galga extensométrica en temperaturas superiores a 1200º F (649 ºC).

Debido a la amplia variación en las propiedades obtenibles con diferentes resinas y combinaciones de endurecedor, las resinas epoxi son una clase importante de adhesivos de extensómetros. Métodos alternativos de fijación, tales como la técnica de pulverización a la llama, también se han utilizado.

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:

  • Muy buenos para medir presiones bajas.
  • Construcción rígida.
  • No es afectado por vibración.

Desventajas:

  • Sensibles a la temperatura.
  • Se requiere electrónica adicional para producir una señal de salida estándar.
  • Requiere fuente de poder externa.

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.

Materiales Semiconductores (silicio) para Strain-Gage.

Los material semiconductores tiene una ventaja sobre los metales debido a que su factor de galga es de aproximadamente 50 a 70 veces superior. Sin embargo, el aumento deseable en factor de galga está parcialmente compensado por su mayor coeficiente térmico de resistividad (el término común es el efecto de la temperatura). Hace relativamente poco tiempo, los medidores por deformación de semiconductor están ganando en importancia, particularmente en la fabricación de transductores de presión y de fuerza en miniatura. Los ensambles micromecanizados de silicio también permiten la integración de numerosas otras funciones en un transmisor de presión.

Materiales metálicos para galgas extensométricas.

Todos los conductores eléctricos exhiben un efecto de galga extensométrica , pero sólo unos pocos cumplen los requisitos necesarios para ser útiles como sensores de tensión. Las propiedades principales a tener en cuenta son (1) factor de galga, (2) resistencia, (3)  coeficiente de temperatura de factor de galga, (4) coeficiente térmico de resistividad, y (5) la estabilidad. Los materiales de alto factor de galga tienden a ser más sensibles a la temperatura y menos estables que los materiales de menor factor .

Materiales para extensómetro, que han sido utilizados en el pasado incluyen los siguientes:

Constantan.  (aleación de cobre-níquel) se utiliza principalmente para la medición de tensión estática  debido a su bajo y controlable coeficiente de temperatura. Para mediciones estáticas, en condiciones ideales de compensación, o para mediciones dinámicas  la aleación puede ser utilizada desde -100 a + 460 ◦ F (-73.3 a 283 ◦ C). Límites conservadores son 50 a 400◦ F (10 a 204 ◦ C).

Karma. El Karma (aleación de níquel-cromo con aditivos de formación de precipitación) proporciona un rango de compensación de temperatura más amplio que el Constantan. Un tratamiento especial de esta aleación ofrece la deriva mínima para 600 ◦ F (316 ◦ C) y unas excelentes características de auto-compensación de temperatura a ~ 800 ◦ F (427 ◦ C).

Nicromio V. El Nicromio V (aleación de níquel-cromo) se utiliza comúnmente para mediciones de deformación a alta temperatura estática y dinámica. Bajo condiciones ideales, esta aleación se puede utilizar para mediciones estáticas a 1200 ◦ F (649 ◦ C) y para mediciones dinámicas a 1800 ◦ F (982 ◦ C).

Isoelástica. La Isoelástica (aleación de níquel-hierro más otros ingredientes) se utiliza para pruebas dinámicas donde su mayor coeficiente de temperatura no trae consecuencias. El factor de galga superior es una ventaja distinta donde tensiones dinámicas de pequeña magnitud son medidas.

479PT. El 479PT (aleación de platino-tungsteno) muestra una estabilidad inusualmente alta a temperaturas elevadas. También tiene un factor de galga relativamente alto para una aleación. Un extensómetro  de este material se recomienda para pruebas dinámicas a 1500ºF  (816 ◦ C) y las pruebas estáticas a 1200◦F (649◦C).

 

 

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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