Measuring Pressure with Bridge-Based and Other Pressure Sensors

¿Qué es la presión?

La presión es definida como la fuerza por unidad de área que un fluido ejerce en sus inmediaciones. La presión, P, es una función de la fuerza, F y el área, A:

P = F/A

The SI unit for measuring pressure is the pascal (N/m2), but other common units of pressure include pounds per square inch (psi), atmospheres (atm), bars, inches of mercury (in. Hg), millimeters of mercury (mm Hg), and torr. 

Un recipiente lleno de gas contiene innumerables átomos y moléculas que rebotan constantemente en sus paredes. La presión sería la fuerza promedio de estos átomos y moléculas en sus paredes por unidad de área del recipiente. Además, la presión no tiene que medirse a lo largo de la pared de un recipiente, sino que puede medirse como la fuerza por unidad de área a lo largo de cualquier plano. La presión del aire, por ejemplo, es una función del peso del aire que empuja hacia abajo sobre la Tierra. Por lo tanto, si la altitud aumenta, la presión disminuye. De manera similar, si un buzo o un submarino se sumergen más profundamente en el océano, la presión aumenta.

Una medida de presión puede describirse como estática o dinámica. La presión en los casos sin movimiento es la presión estática. Los ejemplos de presión estática incluyen la presión del aire dentro de un globo o el agua dentro de un recipiente. Generalmente, el movimiento de un fluido cambia la fuerza aplicada a su entorno. Por ejemplo, digamos que la presión del agua en una manguera con la boquilla cerrada es de 40 libras por pulgada cuadrada (fuerza por unidad de área). Si usted abre la boquilla, la presión cae a un valor menor a medida que el agua sale de la manguera. Una medida de presión completa debe tener en cuenta las circunstancias en las que se realiza. Muchos factores, incluyendo el flujo, la compresibilidad del fluido y las fuerzas externas, pueden afectar la presión.

Measuring Pressure

While commonly measured in Pascals (Pa), a pressure measurement can further be described by the type of measurement being performed. The three methods for measuring pressure are absolute, gauge, and differential. La presión absoluta se refiere a la presión en un vacío, mientras que las presiones manométricas y diferenciales se refieren a otra presión, como la presión atmosférica ambiental o la presión en un recipiente adyacente.

Presión absoluta

El método de medidas absolutas es relativo a 0 Pa, la presión estática en el vacío. La presión medida ha llevado a cabo por la presión atmosférica además de la presión de interés. Por consiguiente, la medida de 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. A menudo, las abreviaturas Paa (absoluta de Pascal) o psia (libras por pulgada cuadrada absoluta) se utilizan para describir la presión absoluta.

Presión manométrica

La presión manométrica se mide en relación con la presión atmosférica ambiental. Esto significa que la referencia y la presión de interés se llevan a cabo por las presiones atmosféricas. Por lo tanto, la medida de la presión manométrica excluye los efectos de la presión atmosférica. Estos tipos de medidas incluyen la presión de los neumáticos y la presión arterial. Similar a la presión absoluta, las abreviaturas Pag (manómetro de Pascal) o psig (manómetro de libras por pulgada cuadrada) se utilizan para describir la presión manométrica.

Presión diferencial

La presión diferencial es muy similar a la presión manométrica, sin embargo, la referencia es otro punto de presión en el sistema en lugar de la presión ambiental. Puede usar este método para mantener una presión relativa entre dos contenedores como tanque de compresor y línea de transmisión asociada. Además, las abreviaturas Pad (diferencial de Pascal) o psid (diferencial de libras por pulgada cuadrada) se utilizan para describir la presión diferencial.

Elegir el sensor de presión adecuado

Las diferentes condiciones de medida, rangos y materiales utilizados en la construcción de un sensor dan como resultado una variedad de diseños de sensores de presión. A menudo, usted puede convertir la presión en alguna forma intermedia, como el desplazamiento, detectando la cantidad de deflexión en un diafragma colocado en línea con el fluido. El sensor luego convierte este desplazamiento en una salida eléctrica como voltaje o corriente. Dada el área conocida del diafragma, usted puede calcular la presión. Los sensores de presión se venden con una escala que proporciona un método para convertir a unidades de ingeniería.

Los tres tipos más universales de transductores de presión son de puente (basado en galgas extensiométricas), capacitancia variable y piezoeléctrico.

Sensores basados en puente

Los sensores basados en puente funcionan al correlacionar un fenómeno físico, como la presión, con un cambio en la resistencia en una o más patas de un puente Wheatstone. Son el tipo de sensor más común porque ofrecen soluciones que cumplen con diferentes limitaciones de precisión, tamaño, robustez y costo. Los sensores basados en puente pueden medir la presión absoluta, manométrica o diferencial en aplicaciones de alta y baja presión. Utilizan una galga extensiométrica para detectar la deformidad de un diafragma sometido a la presión aplicada.

Cuando un cambio en la presión hace que el diafragma se desvíe, se induce un cambio correspondiente en la resistencia en la galga extensiométrica, que usted puede medir con un sistema DAQ acondicionado. Puede unir galgas extensiométricas de lámina directamente a un diafragma o a un elemento que esté conectado mecánicamente al diafragma. Las galgas extensiométricas de silicio también son usadas algunas veces. Para este método, usted graba las resistencias en un sustrato a base de silicio y usa fluido de transmisión para transmitir la presión desde el diafragma al sustrato.

Debido a su construcción simple y durabilidad, estos sensores son de menor costo y los hace ideales para sistemas de mayor cantidad de canales. En general, las galgas extensiométricas de lámina se utilizan en aplicaciones de alta presión (hasta 700 M Pa). También tienen una temperatura de operación más alta que las galgas extensiométricas de silicio (200 °C versus a 100 °C, respectivamente), pero las galgas extensiométricas de silicio ofrecen el beneficio de una mayor capacidad de sobrecarga. Debido a que son más sensibles, las galgas extensiométricas de silicio a menudo se prefieren para aplicaciones de baja presión (~2k Pa).

Sensores capacitivos de presión y piezoeléctricos

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.

Los sensores piezoeléctricos se basan en las propiedades eléctricas de los cristales de cuarzo en lugar de un transductor de puente resistivo. Estos cristales generan una carga eléctrica cuando son sometidos a tensión. Los electrodos transfieren la carga desde los cristales a un amplificador integrado en el sensor. Estos sensores no requieren una fuente de excitación externa, pero son susceptibles al impacto y la vibración.  

Los 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, se utilizan para realizar medidas rápidas de presión de eventos como explosiones. Debido a su rendimiento dinámico superior, los sensores piezoeléctricos son los menos rentables y debe tener cuidado de proteger su sensible núcleo de cristal.

Sensores de presión acondicionados

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.

Generalmente los sensores acondicionados son más caros porque tienen componentes para filtrado y amplificación de señales, terminales de excitación y el circuito regular para las medidas. Esto es útil 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. Si usted está trabajando con sensores basados en puente de presión no acondicionados, su hardware necesita acondicionamiento de señales. Verifique la documentación del sensor para que sepa si necesita componentes adicionales para amplificación o filtrado.

Acondicionamiento de señales para sensor de presión

Los sensores de presión basados en puente son por mucho los sensores de presión más comunes. Debe considerar varios elementos de acondicionamiento de señales para crear un sistema efectivo de medidas de presión basado en puente. Es posible que necesite una o más de las siguientes cosas:

• Excitación para alimentar el circuito del puente Wheatstone
• Detección remota para compensar errores en el voltaje de excitación de cables conductores largos
• Amplificación para aumentar la resolución de la medida y mejorar la relación señal-ruido
• Filtrado para eliminar el ruido externo de alta frecuencia
• Anulación de desfase para equilibrar el puente a la salida de 0 V cuando no se aplica tensión
• Calibración de derivación para verificar la salida del puente a un valor conocido y esperado

Para aprender cómo compensar estos errores y revisar otras consideraciones de hardware para medidas de presión basadas en puente, descargue la Guía del ingeniero para medidas precisas de sensores.