Conceptos básicos de los sensores de presión

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Un sensor de presión, cuando se conecta a una fuente de alimentación adecuada y se expone a una fuente de presión, producirá una señal de salida eléctrica (voltaje, corriente o frecuencia) proporcional a la presión. La mayoría de los sensores están diseñados para producir una salida lineal con la presión aplicada e independiente de otras variables del sistema, la más importante de las cuales es la temperatura. La mayoría de las salidas son mV, V, mA y, a veces, frecuencia.

Un sensor de presión tiene un elemento de detección de área constante y responde a la fuerza aplicada al área por la presión del fluido. Esta fuerza desvía el diafragma, el fuelle o el tubo de Bourdon. Estas desviaciones, deformaciones o tensiones, a su vez, se convierten en salida eléctrica mediante cualquiera de una variedad de métodos de conducción diferentes. La Figura 1 ilustra tres de ellos.

Entrada/salida eléctrica

Para funcionar, la mayoría de los sensores de presión requieren una entrada eléctrica (a menudo llamada excitación). Muchos productos funcionan con una entrada de 5 a 10 V CC y producen salidas de escala completa de 0 a 20 mV y de 0 a 100 mV. Un sensor que produce una salida de voltaje de alto nivel es operado por una fuente de voltaje. Las salidas típicas son de 0 a 5, de 1 a 5, de 1 a 6 y de 1 a 11 Vcc. El circuito de control digital se puede conectar enrutando la salida del sensor a través de un convertidor de analógico a digital (A/D) o usando un sensor con una salida de frecuencia. Esto permite monitorear la presión mediante microprocesadores, controladores programables, computadoras e instrumentos electrónicos similares.

Un sensor de presión que produce una salida de corriente a menudo se denomina transmisor. Por definición, son dispositivos de corriente variable que producen una salida de 4 a 20 mA con voltajes de suministro muy variables.

Tenga en cuenta los siguientes factores al elegir una salida:

  • El tipo de dispositivo que recibe la señal de salida del sensor (controlador programable, medidor de panel, acondicionador de señal, etc.)
  • Distancia entre el transductor y su dispositivo receptor
  • La interferencia electromagnética (EMI) está presente en el medio ambiente, posiblemente de fuentes tales como líneas eléctricas, equipos de soldadura, válvulas de solenoide, motores, radios de 2 vías y
  • costo, ya que se relaciona con todo el sistema instalado (no solo los sensores).

Error de medición

Un sensor de presión es una estructura mecánica hecha de más de un material. Debido a esto, responden no solo a los cambios de presión, sino también a los cambios de temperatura. Estos cambios afectan la salida de cero y de escala completa (FSO) del sensor, independientemente de su tipo. El término efecto de temperatura en cero se refiere al cambio en la salida cuando la temperatura cambia dentro de un rango específico a presión constante. Incluso si la presión permanece constante, las fluctuaciones extremas de temperatura pueden alterar la señal de salida del sensor.

Muchas otras características, como la linealidad, la histéresis, la repetibilidad, etc., ayudan a determinar la precisión de medición de un sensor de presión, Figura 2. Otros factores de igual importancia son más elusivos;Estos incluyen embalaje, configuración, materiales de construcción y diseño de interiores. Cada uno de estos puede evaluarse en base a pruebas de campo y/o experiencia.

En general, el mejor sensor de presión para una aplicación no es necesariamente el mejor para otra. De hecho, si el precio se reduce significativamente, el segundo sensor con mejor rendimiento puede ser la mejor opción para la aplicación.

Terminología del sensor de presión

Las siguientes definiciones se utilizan para cuantificar el rendimiento del transductor.

alcance Se refiere a la presión mínima a máxima que el sensor puede medir con precisión. El sensor generalmente se selecciona de modo que la presión de funcionamiento del sistema sea del 50 % al 60 % de la clasificación de presión máxima del sensor. Por ejemplo, los sistemas hidráulicos que normalmente funcionan en el rango de 2500 a 3000 psi suelen utilizar transductores de 5000 psi. Además de proporcionar un margen de seguridad, este enfoque también ofrece un buen compromiso entre las características de rendimiento.

Capacidad de sobrerrango es la amplitud o presión máxima que se puede aplicar al sensor sin causar un cambio en el rendimiento más allá de la tolerancia especificada.

presión de rotura «Presión de fluido» se refiere a la presión de fluido a la que se espera una falla mecánica y/o una fuga de fluido del sensor. No confunda la presión de ruptura con la capacidad de sobrerrango. Exceder la capacidad de sobrerrango afectará la función del sensor;Exceder la presión de explosión lo destruirá.

FSO (salida de escala completa) Se refiere al cambio en la señal de salida cuando el sensor se ejecuta en un rango calibrado desde la presión mínima hasta la presión máxima a una temperatura específica. Generalmente se dan tolerancias y temperaturas. Con máxima presión aplicada y excitación nominal, la salida es FSO. Ejemplo: 5 V CC ± 0,05 V CC a 77 °F

Desequilibrio cero es la salida residual del transductor de excitación sin aplicar presión. Para los sensores de manómetro sellados, las tolerancias deben tener en cuenta la temperatura y la presión barométrica. Por ejemplo, 0,0 V ± 5 mV a 77 °F, ± 0,4 mA a 77 °F.

Si el desequilibrio del cero es grande en relación con el FSO, es posible que el usuario deba poner a cero el sensor a través de un circuito de puesta a cero externo. Esto asegura que el sensor no produzca una señal de salida cuando no hay presión. Según los requisitos de precisión, es posible que el usuario también deba calibrar el circuito de salida del sensor para corregir las desviaciones del valor nominal de FS.

La mayoría de los fabricantes especifican precisión Porcentaje de FSO positivo y negativo, incluidos los efectos matemáticamente combinados de linealidad, histéresis y errores de repetibilidad. Tenga en cuenta que esta precisión excluye los efectos del entorno (especialmente la temperatura) y la dinámica del sistema. La operación a temperatura constante está implícita en esta noción de precisión.

Resolución Se refiere al cambio de presión más pequeño que se puede detectar en la salida del sensor. Por lo general, se expresa como un porcentaje de FSO. Por ejemplo, si ambos sensores tienen una resolución de 0,1 % de FSO, un sensor de 100 psi (6,8 bar) puede detectar un aumento o disminución de presión de 0,1 psi (0,007 bar). El sensor de 5000 psi (340 bar) puede detectar cambios de presión de 5 psi (0,34 bar).

La resolución no suele ser constante en todo el rango del sensor. Los fabricantes pueden publicar valores de resolución máxima o resolución media. Al comparar el rendimiento de un transductor con el de otro, el usuario debe ser consciente de las diferencias.

La resolución máxima describe la mejor resolución que se puede esperar. La resolución promedio representa el valor entre los mejores y los peores valores en todo el rango del sensor. Aunque un sensor de presión puede tener una resolución infinita, el ruido eléctrico (contenido en la fuente de alimentación e introducido por otras fuentes) puede limitar la resolución. Además, instrumentos como los convertidores de analógico a digital (A/D) limitan la resolución.

pico de presión

Los picos de presión son ráfagas de presión de microsegundos a milisegundos que pueden alcanzar 15 veces la presión operativa normal del sistema. Por ejemplo, si una válvula se mueve repentinamente para detener el flujo, se puede crear una onda de choque dentro del sistema. Asimismo, si el sistema hidráulico está moviendo una carga y la carga se detiene repentinamente, el sistema puede reaccionar con un breve golpe de presión.

Los componentes electrónicos de control del sistema, como un PLC con tiempos de escaneo de milisegundos, no son lo suficientemente rápidos para detectar picos de tan corta duración. A menudo, la primera indicación de que un sistema está produciendo un pico de presión es un cambio positivo en la salida cero del sensor de presión. La electrónica de control del sistema a menudo indica un cambio en la salida del sensor como una condición de presión fuera de rango, lo que puede hacer que el controlador del sistema se apague.

El sensor de presión es el componente más vulnerable al daño por picos de presión. El sensor responde mucho más rápido que los indicadores mecánicos, puede reaccionar ante picos y puede mostrar signos de sobrecarga. Esto no se debe a que el transductor no sea tan duradero como el medidor mecánico al que reemplaza. De hecho, se deben especificar los transductores diseñados para servicio severo. Los picos también pueden dañar las máquinas que los generan. El flujo de líquido inestable es común en los sistemas que generan picos, lo que reduce la eficiencia y acelera el desgaste del sello y el puerto de la válvula.

(Tenga en cuenta que los picos de presión no son un problema grave en un sistema neumático, ya que el aire es comprimible, lo que tiende a amortiguar el choque. Las fluctuaciones cíclicas de presión causadas por la pulsación del compresor crean un problema potencial mayor porque las fluctuaciones de presión, aunque no tanto fuerte, repetida y frecuentemente.)

Los picos de presión generalmente pueden detectarse mediante sensores con un osciloscopio, por ejemplo, cinco veces el rango de presión de funcionamiento normal. Una vez que se determina que hay picos en el sistema, se puede utilizar cualquiera de varias prácticas para evitar que dañen el transductor. Se pueden utilizar sensores con clasificaciones de presión más altas. Sin embargo, hacerlo sacrifica la precisión sobre el rango operativo normal, ya que los sensores con rangos operativos más amplios tienen una resolución más pobre.

Como alternativa, se puede utilizar un búfer para suprimir los picos. Un amortiguador es un orificio instalado en la tubería entre el sensor y la fuente del pico. Una desventaja potencial de este enfoque es que ralentiza la respuesta de la medición. Si no se compromete ni la resolución de la medición ni la respuesta, se debe especificar un sensor que pueda tolerar picos. Obviamente, estos transductores cuestan más.

gran efecto de temperatura

La temperatura es una consideración importante para el rendimiento del sensor de presión. Diferentes materiales se expanden o contraen a diferentes velocidades a medida que cambia la temperatura, creando tensiones residuales dentro de la estructura. Estas tensiones pueden alterar la salida del sensor al alterar la geometría, las propiedades mecánicas y las propiedades eléctricas del sensor. Si bien los fabricantes tienen mucho cuidado al seleccionar los materiales y determinar cómo se combinan, estos cambios son inevitables. Los fabricantes de sensores compensan estos cambios de varias maneras, generalmente ajustando eléctricamente el circuito de salida del sensor.

Los sensores se especifican con un rango de temperatura compensado. Dentro de este rango de temperatura, el sensor funcionará dentro de las especificaciones publicadas. El sensor también tiene un rango de temperatura de funcionamiento. Los sensores seguirán funcionando dentro de este rango, pero los errores operativos pueden exceder las especificaciones publicadas. Por ejemplo, un sensor puede tener un rango de compensación típico de 30° a 130° F (1° a 54° C), mientras que su rango de operación típico puede ser tan alto como 60° a 200° F (51° a 93° C ).

El grado de compensación se expresa en dos especificaciones:

Efecto térmico cero Proporciona el límite dentro del cual la compensación mantiene el valor cero del sensor. Esto generalmente se publica como ±x% del FSO dentro del rango de compensación. Algunos fabricantes de sensores pueden publicar el mismo valor como ±x% de FSO/°F dentro del rango de compensación;Esto hace que los números parezcan más pequeños. Gráficamente, el efecto térmico en cero se puede expresar como se muestra en la Figura 3.

Efecto térmico en el tramo Proporciona los límites para mantener la salida de escala completa del sensor compensado. Esto generalmente se expresa como ±x% de la lectura dentro del rango de compensación. Aquí, algunos fabricantes también pueden publicar el mismo valor como ±x%/°F de lectura dentro del rango de compensación. El efecto térmico en el tramo se puede representar gráficamente como se muestra en la Figura 3.

Los errores térmicos están separados de otros errores que afectan la precisión general del sensor (linealidad, repetibilidad e histéresis). Estos errores deben indicarse y especificarse individualmente. La precisión sobre el rango de temperatura compensado debe incluir efectos térmicos en cero y FSO.

Es importante darse cuenta de que la especificación de rendimiento del fabricante del sensor se refiere a la temperatura ambiente, que es la temperatura del aire que rodea la carcasa del sensor. El usuario también debe prestar atención a la temperatura del medio (líquido), ya que puede tener un impacto significativo en la temperatura de funcionamiento real del sensor y, por lo tanto, en su rendimiento.

consideraciones físicas

Los materiales de construcción generalmente los elige el fabricante del transductor, pero obviamente también son importantes para el usuario. Los materiales en contacto con el medio (o materiales humectantes) incluyen todos los materiales que están expuestos a fluidos presurizados. Estos pueden incluir cualquiera de una variedad de aceros inoxidables, bronces, resinas epoxi, plásticos, elastómeros, vidrio y silicona. El usuario debe estar seguro de que el medio de presión no afectará negativamente a ninguno de estos materiales. Si esto sucede, la calibración del sensor definitivamente cambiará. Eventualmente, su integridad de sellado también fallará.

Las normas ambientales a menudo son difíciles de relacionar con el entorno de trabajo real. Los OEM a menudo prueban sus componentes a través del uso real en un entorno de trabajo para determinar con cuidado y precisión los parámetros operativos: niveles de impacto y vibración, variaciones de temperatura, niveles de humedad, etc. Estos métodos toman tiempo y dinero, pero lo recomendamos. Si no tiene el tiempo o el dinero para hacer una prueba exhaustiva, siga estos pasos:

  1. Verifique las especificaciones ambientales publicadas por el fabricante.
  2. Pregunta por ahí. Los empleados pueden tener experiencia con aplicaciones y componentes similares.
  3. Hable con un proveedor de sensores con amplia experiencia en aplicaciones similares de potencia de fluidos. Nada es mejor que el uso real del producto en un entorno de trabajo real.

interferencia electromagnetica

La interferencia electromagnética (EMI) puede afectar el rendimiento del sensor. Las intensidades de campo altas tienden a afectar la salida del sensor. En algunos casos, estos campos magnéticos pueden saturar el amplificador interno tan completamente que se produce una salida errónea independientemente de la entrada de presión.

Existen técnicas de blindaje y puesta a tierra para compensar los efectos de EMI. Además, los cables deben enrutarse con cuidado desde el sensor hasta su dispositivo receptor para evitar áreas de EMI. Las soluciones son específicas para cada problema planteado.

Solo unos pocos fabricantes de sensores especifican protección EMI. Esto se expresa como el porcentaje de error de escala completa dividido por el rango de frecuencia de máxima intensidad de campo. Ejemplo: el error de salida de escala completa suele ser inferior al 1% en el rango de frecuencia de 20 kHz a 2 GHz con intensidades de campo de hasta 100 V/m. Si bien estas especificaciones son difíciles de relacionar con el mundo real, el hecho de que los fabricantes proporcionen datos de EMI en sus especificaciones sugiere que tienen cierta experiencia en el manejo de esta interferencia.

Otras especificaciones

Hay muchas características de diseño que pueden no aparecer en una especificación publicada que pueden ser importantes durante el ciclo de vida de una aplicación.

  • ¿El sensor es sensible a la orientación de montaje (actitud)?¿Se mantendrán constantes las lecturas de presión si la postura cambia a medida que se mueve el dispositivo?
  • ¿Necesito una llave o herramienta especial para instalar el sensor?
  • ¿El diseño exterior y los materiales de construcción resistirán el abuso físico?En los equipos móviles, los transductores que sobresalen permiten que el personal de mantenimiento se suba al equipo. Además, la caída de escombros es otra fuente potencial de daño físico. Siempre que sea posible, los transductores deben ser accesibles, pero en áreas no afectadas por condiciones potencialmente dañinas, y
  • ¿Se pueden realizar las conexiones eléctricas de forma fiable e infalible?¿Se puede conectar el cable al transductor en cualquier dirección?¿Proporciona protección contra polaridad inversa?

generalizar

Debería ser obvio ahora que ningún transductor es mejor que todos los demás. Un transductor ideal para una aplicación puede no ser suficiente para otra. Con una amplia variedad de transductores para elegir, saber qué características buscar y cómo interpretar las especificaciones para aplicaciones específicas lo ayudará a elegir un transductor con confianza.

La lista de verificación anterior está destinada a ayudar a los usuarios a organizar la información sobre las aplicaciones que afectan a los sensores. Sin embargo, incluso después de completar la lista de verificación, aún puede ser difícil seleccionar un transductor específico para una aplicación específica. Por ejemplo, un transductor puede costar cinco o diez veces el costo de otro transductor pero tener características de rendimiento comparables. Esta diferencia de costos a menudo se puede atribuir a características adicionales integradas en sensores más costosos. La inmunidad al ruido eléctrico o la capacidad de soportar picos de presión son dos características que aumentan el costo del sensor sin mejorar los parámetros básicos de rendimiento. Sin embargo, la especificación de sensores sin estas características en aplicaciones que las requieren explícitamente conducirá en última instancia a aplicaciones fallidas.

Además, los transductores más caros en realidad pueden costar menos, dada la economía del sistema en general. Esto se debe a que los transductores menos costosos pueden requerir componentes adicionales para funcionar en entornos que de otro modo serían inaceptables.

En términos generales, las funciones que aumentan el costo de un transductor, para que pueda operar en condiciones menos que ideales, se pueden dividir en cuatro categorías:

  • Funciones especiales que hacen que los sensores estándar sean compatibles con aplicaciones especiales
  • Entorno, incluidos los fluidos y el entorno circundante fuera del sensor
  • requisitos eléctricos, señales de entrada y salida, y
  • Requerimientos físicos y mecánicos, en cuanto a resistencia dimensional, etc.

En términos generales, a medida que aumenta el número de estas funciones, también aumenta el costo del transductor. Algunas características aumentan considerablemente el costo del transductor, mientras que otras no. Esto significa que es importante evaluar cada aplicación para determinar qué funciones son absolutamente necesarias para la aplicación y cuáles son deseables pero rentables.


Tipo de medición de presión

Elegir un sensor de presión es más que elegir un sensor con un rendimiento aceptable. Debe configurarse para medir cualquiera de las cuatro formas comunes de presión.

Presión manométrica (psig) (barGRAMO) Cuantifica la presión del fluido en relación con la presión del aire ambiente. En el caso de un sensor de diafragma, Figura (a), el lado del fluido del diafragma ve la presión medida;El otro lado ve la presión del aire ambiente. Dado que el sensor que mide la presión manométrica se ventila a la atmósfera, puede estar expuesto a la contaminación atmosférica y la condensación a menos que se tomen precauciones.

Presión absoluta (psia) (barUna) Medir la presión relativa al vacío. En el caso de un sensor de tipo diafragma, Figura (b), la presión del fluido se ve en un lado del diafragma y el vacío total se ve en el otro lado.

Presión de referencia del sello (psis) (bars) Se mide en relación con una presión de referencia que es igual o cercana a la presión atmosférica estándar. En el caso de un sensor de tipo diafragma, Figura (c), un lado del diafragma está expuesto a la presión del fluido, mientras que el otro lado está expuesto a una cámara sellada de la atmósfera y que contiene gas presurizado a la presión atmosférica estándar. El sensor de presión recomendado para el servicio hidráulico es un manómetro sellado para garantizar que los componentes internos sensibles de la unidad permanezcan libres de humedad y suciedad.

Presión diferencial (psid) (bard) Cuantifica la diferencia de presión entre dos puntos dentro de un sistema. La medición también debe tener en cuenta la magnitud de la presión de la línea del sistema. Las mediciones generalmente se realizan a partir de dos entradas de fluido diferentes dentro del sistema utilizando sensores diseñados específicamente para cálculos de presión diferencial (figura (d)), o instalando un sensor separado en cada una de las dos entradas de fluido.(La salida de cada sensor se enruta a un procesador de señal común que produce una señal proporcional a la presión de la línea y la diferencia entre las dos presiones).

La presión de línea no solo es importante para monitorear la operación del sistema, sino también para hacer que las mediciones de presión diferencial sean más significativas. Por ejemplo, una caída de presión de 0,544 bar (8 psi) a través del filtro puede ser aceptable para un sistema que funciona a 8,16 bar (120 psi), pero no para un sistema que funciona a 5,44 bar (80 psi).

La presión atmosférica estándar (manómetro cero) es de 14,7 psia (1 bar). La presión atmosférica real normalmente oscila entre 14,2 y 15,2 psia (0,966-1,03 bar). Al reconocer la pequeña diferencia con respecto al valor nominal, el usuario se da cuenta de que, dentro del rango hidráulico, la posible diferencia entre el manómetro de escape y la salida del sensor del manómetro de sello será muy pequeña. Del orden de 2000 psig (136 bar) menos de 0,5 psig (0,034 bar), el error es solo del 0,025%. Dado que la mayoría de los sistemas neumáticos funcionan a presiones mucho más bajas que los sistemas hidráulicos, la diferencia entre las mediciones del manómetro sellado y ventilado puede ser más significativa.

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Lista de verificación de la aplicación

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