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Republica Bolivariana de Venezuela I.U.T “Antonio Jose de Sucre”

Integrante: José Manuel Muñoz Corbo C.I:18735964 Asignatura: Instrumentación y Control Escuela: 70


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. LeaFundamentos 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 y estable. Por otro lado, puede usar un voltaje menos preciso y estable y medir también el voltaje de excitación. Algunos métodos como un enfoque radiométrico usan una excitación precisa, así como retroalimentación al ADC para proporcionar el nivel más alto de rendimiento. Anulación de Desfase Cuando un sensor de puente es instalado, es muy poco probable que envíe exactamente cero volts cuando la estructura o fluido está cerrado. Leves variaciones en resistencia entre los brazos del puente, condiciones de instalación y resistencia principal van a generan algún voltaje de desfase inicial no igual a cero. Puede realizar anulación de desfase por hardware o software. En compensación de software, puede realizar una medida inicial antes de que la entrada de tensión sea aplicada y usar este desfase para compensar medidas posteriores. El método de balanceo de hardware utiliza una resistencia ajustable, un potenciómetro, para ajustar físicamente la salida del puente a cero. Calibración de Derivación La calibración de derivación es el procedimiento usado para verificar la salida de una medida basada en puente relativa a alguna presión determinada. La calibración de derivación involucra simular la entrada de presión al cambiar la resistencia de un brazo en el puente por alguna cantidad conocida. Esto se logra al desviar o conectar un resistor grande de valor conocido (Rs) en todo el brazo del puente, creando un ΔR conocido. La salida del puente puede ser medida y comparada al valor de voltaje esperado. Los resultados son usados para corregir errores en la trayectoria completa de la medida o para simplemente verificar la operación en general para tener confianza en la instalación.

Figura 5. La calibración de derivación involucra un resistor grande de valor conocido (Rs) en todo el brazo del puente, creando un ΔR conocido.

Protección del Sensor Una causa común de falla del sensor en aplicaciones de medidas de presión es el impacto dinámico, lo cual resulta en sobrecarga del sensor. Un clásico ejemplo de sobrecargar un sensor de presión se conoce como el fenómeno de golpe de ariete. Esto ocurre cuando un fluido de movimiento rápido es detenido repentinamente al cerrar una válvula. El fluido tiene moméntum que es interrumpido repentinamente, lo cual provoca un estiramiento del contenedor en el cual el fluido está contenido. Este estiramiento genera un pico de presión


que puede dañar un sensor de presión. Para reducir los efectos de "golpe de ariete", los sensores generalmente son montados con un amortiguador entre el sensor y la línea de presión que previene picos de presión en el caso de existir golpe de ariete. Un amortiguador es una buena elección para proteger su sensor en ciertas aplicaciones, pero la presión pico de impacto algunas veces es la región de interés. En ese caso, debe seleccionar un sensor de presión que no incluye sobreprotección.

Sistemas de Medidas para Sensores de Presión Las medidas de presión son uno de los tipos de medida de sensor de mayor crecimiento y National Instruments ofrece varias opciones para medir sensores de presión. Desde 1 a más de 1,000 canales, National Instruments tiene la plataforma correcta para su sistema de medidas de presión. NI CompactDAQ

Figura 6. Se recomienda NI CompactDAQ para medidas de presión que requieren aislamiento. NI CompactDAQ proporciona una solución portátil y robusta que se recomienda para medidas de presión que requieren aislamiento. Puede escoger entre diferentes módulos con hasta 60 Vrms de aislamiento de canal a tierra y resolución de 24 bits. La plataforma NI CompactDAQ ofrece hasta cuatro canales por módulo y 32 canales por chasis. El chasis puede escribir datos por USB, Ethernet o inalámbricos. PXI

Figura 7. La plataforma PXI se recomienda para medidas de presión más precisas. La plataforma PXI proporciona una variedad de opciones de chasis, controladores y módulos que le dan la oportunidad de crear un sistema de medidas que cumple con las necesidades específicas de su aplicación. La plataforma PXI se recomienda para medidas de presión altamente precisas. Estas soluciones se pueden escalar a miles de canales de medidas de presión para grandes aplicaciones. SCXI

Figura 8. La plataforma SCXI se recomienda para una solución rentable para medidas de presión. NI recomienda la plataforma SCXI para una solución rentable para medidas de presión de gran cantidad de canales. La plataforma SCXI ofrece hasta ocho canales de presión por módulo y ofrece opciones para medidas de presión aisladas.


Transductores de presión Los transductores de presión deben capturar el valor de la presión de forma continua y transmitir una señal eléctrica correspondiente a distancia. Los diferentes tipos de transductores de presión utilizan diferentes formas para medir la presión y convertirla en señal eléctrica. Éstos son los más comúnmente clasificados de acuerdo con el método utilizado para medir la presión y después por el material de la carcasa y la fuerza de la señal.

Extensómetro El tipo más común de transductor de presión se basa en un extensómetro. Un diafragma sujeta un conductor dispuesto en un patrón de zigzag. Cuando el diafragma se mueve en respuesta a un cambio de presión, la longitud del conductor cambia y también lo hace su resistencia. El conductor forma parte de un puente de resistencia, donde los cambios en su resistencia causan un cambio correspondiente en el voltaje a través del puente. Un amplificador produce la señal remota proporcional al voltaje.

Capacidad variable

Los transductores de presión que utilizan una capacitancia variable como método de medición también tienen un diafragma que se mueve cuando cambia la presión. En lugar de estirar un resistor, el movimiento del diafragma cambia la distancia a una placa conductora. A medida que aumenta la presión, el diafragma se mueve más cerca de la placa, cambiando la capacitancia del arreglo. Un circuito eléctrico produce un voltaje proporcional a los cambios en la capacitancia y un amplificador envía la tensión de forma remota.

Piezoeléctrico

El tercer tipo de transductor de presión utiliza un cristal piezoeléctrico para generar una señal cuando la presión cambia. Los cristales de cuarzo son utilizados por lo general y generan una carga cuando se coloca bajo tensión. Cuando la presión aumenta, el diafragma empuja una pequeña varilla que presiona el cristal de cuarzo contra una base masiva. El cristal de cuarzo produce una carga y un amplificador convierte la carga en una señal remota.

Contacto con el material medido Los diferentes tipos de transductor de presión utilizan diferentes estrategias para interactuar con el material que está siendo medido, ya que el material puede ser corrosivo o incompatible con el material del diafragma o el sensor. En algunos tipos, el material a ser medido entra en un fuelle que empuja sobre un diafragma. En otros tipos, el material entra en una cápsula que se expande y empuja sobre un diafragma. A veces, el fuelle o cápsulas se llenan con líquido para aislar el material del sensor y se puede lograr el mismo efecto mediante el uso de un tubo lleno de líquido para transmitir la presión al sensor.

Señal de salida

El propósito del transductor de presión es generar una señal que los operadores puedan leer de forma remota o para que puedan controlar las válvulas y otros equipos.


Se utilizan comúnmente tres tipos de señal. Algunos transductores de presión generan señales en el rango de los milivoltios, algunas en el intervalo de varios voltios y algunos en miliamperios. Dependiendo de la señal que requiere la aplicación, de la distancia de transmisión y de la precisión, los amplificadores en los transductores de presión generan el tipo apropiado de señal

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