Qué es Presión

¿Qué es Presión?

Presión es definida como fuerza por unidad de área que un fluido ejerce en sus inmediaciones. Puede medir esta fuerza al detectar la cantidad de deflexión en un diafragma situado en línea con el fluido. Determinada el área conocida del diafragma, la presión puede ser calculada. Los sensores de presión se venden con una escala que proporciona un método para convertir a unidades de ingeniería. La unidad SI para presión es el Pascal (N/m2), pero otras unidades comunes de presión incluyen psi, atmósfera, bar, pulgadas de mercurio, milímetros de mercurio y torr.

Métodos de Medidas de Presión

Existen tres métodos para medir presión: absoluta, manométrica y diferencial. La presión absoluta está relacionada con la presión en forma aislada, en tanto que las presiones manométrica y diferencial están relacionadas con otra presión como atmosférica ambiental o la presión en un contenedor adyacente.

Presión Absoluta Presión Manométrica Presión Diferencial

Figura 1. Diagramas de Sensor de Presión para Métodos de Medidas Diferenciales

Presión Absoluta

El método de medida absoluta es relativo a 0 Pa, la presión estática en forma aislada (mostrada como REF en la Figura 1). La presión medida ha sido puesta en práctica por la presión atmosférica además de la presión de interés. Por consiguiente, la medida de la presión absoluta incluye los efectos de la presión atmosférica. Este tipo de medida es ideal para presiones atmosféricas como aquellas usadas en altímetros o presiones al vacío.

Presión Manométrica

Los métodos de medida manométrica y diferencial están relacionados con otras presiones dinámicas. En el método manométrico, la referencia es la presión atmosférica ambiental. Esto significa que la referencia y la presión de interés son puestas en práctica por las presiones atmosféricas. Por consiguiente, la medida de la presión manométrica incluye los efectos de la presión atmosférica. Estos tipos de medidas son fáciles de identificar en ejemplos como medidas de presión de neumáticos y presión arterial.

Presión Diferencial

La presión diferencial es muy similar a la presión manométrica, sin embargo, la referencia es otro punto de presión en el sistema más que la presión ambiental. Puede usar este método para mantener una presión relativa entre dos contenedores como tanque de compresor y línea de transmisión asociada.

Tipos de Sensor de Presión

Existe una variedad de diseños de sensor de presión debido a las diferentes condiciones, rangos y materiales de medida usados en la construcción del sensor. Los tipos comunes de sensor de presión son sensores basados en puente, amplificados o piezoeléctricos. La presión es medida al convertir el fenómeno físico en una forma intermedia, como desplazamiento, el cual puede ser medido por un transductor.

Sensores Basados en Puente

Los transductores basados en puente Wheatstone o tensión son una manera común de medir desplazamiento. Los sensores que utilizan este tipo de diseño cumplen con una variedad de requerimientos como precisión, tamaño, costo y robustez. Los sensores de puente son usados para aplicaciones de alta y baja presión y pueden medir presión absoluta, manométrica y diferencial. Los sensores basados en puente usan una galga extensiométrica para detectar la deformidad de un diafragma sometido a la presión aplicada (ver Figura 2).

Figura 2. Corte Transversal de un Sensor Típico de Presión Basado en Puente [1]

Un cambio en presión provoca que el diafragma se deforme, correspondiente a un cambio de resistencia de la galga extensiométrica. Esto puede ser medido con un sistema DAQ condicionado. Las galgas extensiométricas de aluminio pueden estar unidas a un diafragma o unidas a un elemento que es conectado mecánicamente al diafragma. Las galgas extensiométricas de silicio también son usadas algunas veces. Al usar este método, los resistores son grabados en un sustrato basado e n silicio y el fluido de transmisión es usado para transmitir la presión desde el diafragma al sustrato.

Sensores de Presión Capacitivos

Figura 3. Transductor de Presión de Capacitancia

Un transductor de presión de capacitancia variable mide el cambio en capacitancia entre un diafragma de metal y una fuente de metal fija. La capacitancia entre dos fuentes de metal cambia si la distancia entre estas dos fuentes cambia debido a la presión aplicada.

Sensores de Presión Piezoeléctricos

Figura 4. Transductor de Presión de Piezoeléctrico

Los sensores piezoeléctricos dependen de cristales de cuarzo en lugar de un transductor de puente resistente. Los electrodos transfieren carga desde los cristales a un amplificador integrado en el sensor. Estos cristales generan una carga eléctrica cuando son sometidos a tensión. Los sensores de presión piezoeléctricos no requieren una fuente de excitación externa y son muy fuertes. Los sensores, sin embargo, no requieren circuito de amplificación de carga u son muy susceptibles al impacto y la vibración.

Sensores de Presión Amplificados

Los sensores que incluyen circuitos integrados, como amplificadores, son denominados sensores amplificados. Estos tipos de sensores pueden ser construidos usando transductores basados en puente, capacitivos o piezoeléctricos. En el caso de un sensor amplificado basado en puente, la unidad por sí misma brinda resistores de terminación y la amplificación necesaria para medir la presión directamente con un dispositivo DAQ. Aunque la excitación debe ser proporcionada, la precisión de la excitación es menos importante. El SCXI-1520 ofrece una solución diseñada para este tipo de sensor. Sin embargo, puede usar otro módulo de la Serie C y PXI para medir la salida del sensor amplificado al ser combinado con una fuente de alimentación para proporcionar excitación.

Sensores de Presión Ópticos

Las medidas de presión que utilizan detección óptica tienen varios beneficios incluyendo inmunidad al ruido y aislamiento. Lea Fundamentos de la Detección Óptica FBG para obtener más información sobre este método de medida.

Escoger el Sensor de Presión Adecuado

Los sensores basados en puente o piezoresistivos son el tipo más común de sensores por la construcción simple y durabilidad. Esto se traduce a menor costo y los hace ideales para sistemas de mayor cantidad de canales. Ofrecen la flexibilidad de usar una variedad de acondicionadores de señales de acuerdo a sus necesidades de rendimiento. Los sensores de puente son usados para aplicaciones de alta y baja presión y pueden medir presión absoluta, manométrica y diferencial.

Los sensores amplificados están basados en diferentes tecnologías pero ofrecen acondicionamiento integrado. Esto es favorable para sistemas de menos canales que no garantizan un sistema de acondicionamiento de señales dedicado. Ya que el acondicionamiento está integrado, usted puede conectar el sensor directamente a un dispositivo DAQ, siempre y cuando la potencia sea proporcionada al sensor de alguna manera. Por estas razones, los sensores amplificados son más costosos.

Las transductores de presión capacitivos y piezoeléctricos, generalmente son muy estables y lineales, pero son sensibles a altas temperaturas y son más complicados de instalar que la mayoría de los sensores de presión. Los sensores piezoeléctricos responden rápidamente a los cambios de presión. Por esta razón, son usados para realizar medidas rápidas de presión de eventos como explosiones. Debido a su rendimiento dinámico superior, estos tipos de sensores son los menos rentables y se debe tener cuidado para proteger el núcleo de cristal.

Diseñar el Sistema de Medidas Adecuado

Los sensores de presión basados en puente son por mucho los sensores de presión más comunes. La siguiente sección describe el acondicionamiento de señales necesario para realizar un sistema de medidas de presión basado en puente. Los requerimientos básicos de acondicionamiento de señales incluyen amplificación, filtrado, excitación, anulación de desfase y calibración de derivación.

Amplificación

La salida del puente es relativamente pequeña. En la práctica, la mayoría de los sensores basados en puente producen menos de 10 mV/V, lo cual significa 10 mV por voltio de excitación. Por lo tanto, acondicionadores de señales de puente generalmente incluyen amplificadores que aumentan el nivel de la señal, para incrementar la resolución y para mejorar los radios de señal a ruido.

Filtrado

Los sensores basados en puente a menudo están ubicados en entornos eléctricamente ruidosos. Es fundamental ser capaz de eliminar ruido que pueda asociarse a las galgas extensiométricas. Los filtros paso bajo, cuando son usados con galgas extensiométricas, pueden eliminar el ruido de alta frecuencia prevaleciente en la mayoría de los entornos. Los filtros digitales ofrecen niveles muy altos de rechazo con importantes características sin impactar la precisión.

Excitación de Puente

Los acondicionadores de señales de puente generalmente proporcionan una fuente de voltaje constante para energizar el puente. Los niveles de voltaje de excitación de 3 V a 10 V son comunes. Aunque un voltaje de excitación más alto genera un voltaje de salida proporcionalmente más alto, el voltaje más alto también puede provocar grandes errores debido al auto calentamiento. Es importante que el voltaje de excitación sea muy preciso

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