Sensores de presión eléctricos

Hoy en día, para medir la presión en diversas áreas de la industria, no solo se utilizan barómetros de mercurio y aneroides, sino también varios sensores que difieren tanto en el principio de funcionamiento como en las ventajas y desventajas inherentes a cada tipo de sensor. La electrónica moderna permite la implementación de sensores de presión directamente sobre una base eléctrica y electrónica.

Entonces, ¿qué queremos decir con el término "sensor de presión eléctrica"? ¿Qué son los sensores de presión eléctricos? ¿Cómo están ordenados y qué funciones tienen? Finalmente, ¿qué sensor de presión debe elegir para que sea el más adecuado para un propósito particular? Lo descubriremos en el transcurso de este artículo.

Primero, definamos el término en sí. Un sensor de presión es un dispositivo cuyos parámetros de salida dependen de la presión medida. El medio de prueba puede ser un vapor, un líquido o algún gas, según la aplicación de un sensor en particular.

Los sistemas modernos requieren herramientas de precisión de este tipo como componentes importantes de los sistemas de automatización para las industrias de energía, petróleo, gas, alimentos y muchas otras.Los transductores de presión en miniatura son vitales en medicina.

Cada sensor de presión eléctrica incluye: un elemento sensible que sirve para transmitir el choque al transductor primario, un circuito de procesamiento de señal y una carcasa. Los sensores de presión principalmente eléctricos se dividen en:

• Resistivo (tensorresistivo);

• Piezoeléctrico;

• resonancia piezoeléctrica;

• capacitivo;

• inductivo (magnético);

• Optoelectrónico.

Sensor de presión resistivo o extensométrico Es un dispositivo cuyo elemento sensible cambia su resistencia eléctrica bajo la acción de una carga deformante. Las galgas extensométricas están montadas en una membrana sensible que se dobla bajo presión y dobla las galgas extensométricas unidas a ella. La resistencia de las galgas extensométricas cambia y la magnitud de la corriente en el circuito primario del convertidor cambia en consecuencia.

El estiramiento de los elementos conductores de cada galga extensiométrica provoca un aumento de la longitud y una disminución de la sección transversal, lo que da como resultado un aumento de la resistencia. En compresión es al contrario. Los cambios relativos en la resistencia se miden en milésimas, por lo que los amplificadores de precisión con ADC se utilizan en los circuitos de procesamiento de señales. Así, la deformación se convierte en un cambio en la resistencia eléctrica de un semiconductor o conductor y luego en una señal de voltaje.

Las galgas extensométricas suelen ser un elemento conductor o semiconductor en zigzag aplicado a una base flexible que se adhiere a la membrana. El sustrato generalmente está hecho de mica, papel o película de polímero, y el elemento conductor es una lámina, un alambre delgado o un semiconductor rociado al vacío sobre metal.La conexión del elemento sensible de la galga extensométrica al circuito de medición se realiza mediante almohadillas de contacto o cables. Las galgas extensométricas suelen tener un área de 2 a 10 mm cuadrados.

Sensores de células de carga excelente para estimar los niveles de presión, la resistencia a la compresión y la medición del peso.

El siguiente tipo de sensor de presión eléctrico es el piezoeléctrico… Aquí, el elemento piezoeléctrico actúa como un elemento sensible.Un elemento piezoeléctrico basado en un piezoeléctrico genera una señal eléctrica cuando se deforma, este es el llamado efecto piezoeléctrico directo. El elemento piezoeléctrico se coloca en el medio medido y luego la corriente en el circuito del transductor será proporcional en magnitud al cambio de presión en ese medio.

Dado que la aparición del efecto piezoeléctrico requiere un cambio preciso en la presión en lugar de una presión constante, este tipo de transductor de presión solo es adecuado para la medición de presión dinámica. Si la presión es constante, entonces el proceso de deformación del elemento piezoeléctrico no ocurrirá y la corriente no será generada por el piezoeléctrico.

Los sensores de presión piezoeléctricos se utilizan, por ejemplo, en transductores de flujo primarios de medidores de vórtice para agua, vapor, gas y otros medios homogéneos. Dichos sensores se instalan por pares en una tubería con una abertura nominal de decenas a cientos de milímetros detrás del cuerpo del flujo y así registran vórtices cuya frecuencia y número son proporcionales al caudal volumétrico y al caudal.

Considere otros sensores de presión piezorresonantes... En los sensores de presión piezorresonantes, funciona el efecto piezoeléctrico inverso, en el que el piezoeléctrico se deforma bajo la acción del voltaje aplicado, y cuanto mayor es el voltaje, más fuerte es la deformación. El sensor se basa en un resonador en forma de placa piezoeléctrica, en ambos lados de los cuales se unen electrodos.

Cuando se aplica un voltaje alterno a los electrodos, el material de la placa vibra, doblándose en una dirección u otra, y la frecuencia de las vibraciones es igual a la frecuencia del voltaje aplicado. Sin embargo, si la placa ahora se deforma al aplicarle una fuerza externa, por ejemplo a través de una membrana sensible a la presión, entonces la frecuencia de las oscilaciones libres del resonador cambiará.

Entonces, la frecuencia natural del resonador reflejará la cantidad de presión sobre la membrana que ejerce presión sobre el resonador, lo que resultará en un cambio en la frecuencia. Como ejemplo, considere un sensor de presión absoluta basado en resonancia piezoeléctrica.

La presión medida se transmite a la cámara 1 a través de la conexión 12. La cámara 1 está separada por una membrana de la parte de medición sensible del dispositivo. El cuerpo 2, la base 6 y la membrana 10 se sellan entre sí para formar una segunda cámara sellada. En la segunda cámara sellada de la base 6, se fijan los soportes 9 y 4, el segundo de los cuales se une a la base 6 por medio de un puente 3. El soporte 4 sirve para fijar el resonador sensible 5. El resonador de soporte 8 es fijado por el titular 9.

Bajo la acción de la presión medida, la membrana 10 presiona a través del manguito 13 sobre la bola 14, que también está fijada en el soporte 4.La bola 14, a su vez, presiona el resonador sensible 5. Los cables 7, fijados en la base 6, conectan los resonadores 8 y 5 a los generadores 16 y 17, respectivamente. Para generar una señal proporcional a la magnitud de la presión absoluta se utiliza el circuito 15, que genera una señal de salida a partir de la diferencia de frecuencias del resonador. El sensor en sí está colocado en un termostato activo 18, que mantiene una temperatura constante de 40°C.

Algunos de los más simples son sensores de presión capacitivos... Los dos electrodos planos y el espacio entre ellos forman un condensador. Uno de los electrodos es una membrana sobre la que actúa la presión medida, lo que conduce a un cambio en el grosor del espacio entre las placas del condensador. Es bien sabido que la capacitancia de un capacitor plano cambia con un cambio en el tamaño del espacio para un área constante de las placas, por lo tanto, para detectar incluso cambios muy pequeños en la presión, los sensores capacitivos son muy, muy efectivos.

Los sensores de presión capacitivos con pequeñas dimensiones permiten medir la sobrepresión en líquidos, gases, vapor. Los sensores de presión capacitivos son útiles en varios procesos industriales que utilizan sistemas hidráulicos y neumáticos, en compresores, en bombas, en máquinas herramienta. El diseño del sensor es resistente a temperaturas extremas y vibraciones, inmune a interferencias electromagnéticas y condiciones ambientales agresivas.

Otro tipo de sensores de presión eléctrica, remotamente similar a los sensores capacitivos - inductivos o magnéticos... La membrana conductora sensible a la presión se encuentra a cierta distancia del delgado circuito magnético en forma de W, en cuyo núcleo central se enrolla la bobina.Se establece un cierto espacio de aire entre la membrana y el circuito magnético.

Cuando se aplica un voltaje a la bobina, la corriente en ella crea un flujo magnético que pasa tanto a través del circuito magnético mismo como a través del espacio de aire ya través de la membrana, cerrándose. Dado que la permeabilidad magnética en el espacio es aproximadamente 1000 veces menor que en el circuito magnético y en la membrana, incluso un pequeño cambio en el grosor del espacio conduce a un cambio notable en la inductancia del circuito.

Bajo la influencia de la presión medida, el diafragma del sensor se dobla y la resistencia compleja de la bobina cambia. El transductor convierte este cambio en una señal eléctrica. La parte de medición del convertidor se realiza según el circuito puente, donde la bobina del sensor está incluida en uno de los brazos. Usando un ADC, la señal de la parte de medición se convierte en una señal eléctrica proporcional a la presión medida.

El último tipo de sensor de presión que veremos son los sensores optoelectrónicos… Son bastante simples para detectar la presión, tienen alta resolución, alta sensibilidad y son térmicamente estables. Operando sobre la base de la interferencia de la luz, usando un interferómetro Fabry-Perot para medir pequeños desplazamientos, estos sensores son particularmente prometedores. Un cristal convertidor óptico con una apertura, un LED y un detector que consta de tres fotodiodos son las partes principales de dicho sensor.

Los filtros ópticos Fabi-Perot con una pequeña diferencia de espesor se unen a dos fotodiodos. Estos filtros son espejos de silicio reflectantes de la superficie frontal cubiertos con una capa de óxido de silicio, sobre cuya superficie se deposita una fina capa de aluminio.

El transductor óptico es similar a un sensor de presión capacitivo, el diafragma formado por grabado en un sustrato de silicio monocristalino está cubierto con una fina capa de metal. La parte inferior de la placa de vidrio también tiene un revestimiento de metal. Hay un espacio de ancho w entre la placa de vidrio y el sustrato de silicio, obtenido usando dos espaciadores.

Dos capas de metal forman un interferómetro Fabia-Perot con entrehierro variable w, que incluye: un espejo móvil ubicado en la membrana, que cambia de posición cuando cambia la presión, y un espejo translúcido estacionario paralelo a él sobre una placa de vidrio.

Sobre esta base, FISO Technologies produce transductores de presión microscópicos sensibles con un diámetro de solo 0,55 mm que pasan fácilmente a través del ojo de la aguja. Con la ayuda de un catéter, se inserta un minisensor en el volumen estudiado, dentro del cual se mide la presión.

La fibra óptica está conectada a un sensor inteligente, en el que, bajo el control de un microprocesador, se enciende una fuente de luz monocromática introducida en la fibra, se mide la intensidad del flujo de luz retrorreflejada, la presión externa sobre el El sensor se calcula a partir de los datos de calibración y se muestra en la pantalla. En medicina, por ejemplo, estos sensores se utilizan para controlar la presión intracraneal, para medir la presión arterial en las arterias pulmonares, que no se puede alcanzar de otra manera.