Principios de funcionamiento de un sensor de presión

Para la medida de presión con transmisores de presión, o sensores de presión  se requiere un sensor que capta el valor de presión o la variación de la misma y lo convierte  en una señal eléctrica. La señal eléctrica indica el valor de presión recibida. Los cuatro principios más importantes son la medida con sensores resistivos, sensores piezoresistivos, sensores capacitivos y sensores piezoeléctricos.

Medida con sensores de presión resistivos

El principio de medida con sensores resistivos se basa en la medida de la variación de la resistencia inducida por la deformación en función de la presión. La resistencia de un conductor eléctrico está definida por la ecuación: 

Una tracción del conductor aumenta la longitud y reduce la superficie de sección con la consecuencia de un aumento de la resistencia eléctrica, ya que la resistencia específica se mantiene constante. Una deformación provocada por recalcado tendría el efecto contrario.  Para la realización del principio se utiliza un cuerpo base que se deforma de manera controlado al someterle a presión.

A  menudo este cuerpo consiste en una membrana con una parte fina. El valor de la deformación en función de la presión se mide mediante una cinta extensométrica es decir conductores eléctricos metálicos tipo meandro. Habitualmente se encuentran cuatro cintas extensométricas en una membrana de las cuales unas están ubicadas en el área de dilatación, otras en el área del recalcado. La deformación de la membrana provoca la deformación de las cintas con el efecto de un aumento proporcional de la resistencia  (dilatación) o de una reducción (recalcado). Para realizar una medición precisa se conecta las cintas a un puente Wheatstone.

 

Sensores de presión piezoresistivos

El principio de la medida con sensores piezoresistivos es similar al de los sensores resistivos. La diferencia reside en la utilización de semiconductores como cintas extensométricas en vez de metal y la deformación provoca en este caso una variación de la resistencia específica.  Según la ecuación indicada arriba, la resistencia eléctrica varía proporcional con la resistencia específica. Este efecto piezoresistivo con semiconductores es de un factor 10 hasta 100 veces mayor que con metal.

Las cintas metálicas pueden colocarse en cualquier material mientras las cintas semiconductoras están incorporadas como microstructura en la membrana. Por lo tanto las cintas extensométricas y el cuerpo expuesto a la deformación están compuestos del mismo material. Normalmente se incorpora cuatro cintas en una membrana de silicio formando un puente de Wheatstone. Dado que las microestructuras no presentan la suficiente resistencia contra numerosos medios de proceso se encapsula el chip para la mayoría de las aplicaciones.

La transmisión de la presión se efectúa en este caso de manera indirecta, por ejemplo mediante una membrana metálica o mediante aceite como medio de transmisión. El gran volumen del efecto piezoresistivo permite la aplicación de estos sensores también para presiones muy bajas. Sin embargo la elevada sensibilidad a efectos de temperatura requiere una compensación de temperatura individual para cada sensor.

Sensores de presión capacitivos

Este principio está basado en la medición de la capacidad de un condensador que varía en función de la aproximación a la superficie activa. La capacidad de un condensador de dos placas puede expresarse por la siguiente ecuación:

Ecuación sensor capacitivo

El principio de la medición capacitiva se realiza mediante un cuerpo base cuya membrana  metálica, con recubrimiento metálico, constituye una de las placas del condensador. La deformación de la membrana, inducida por la presión, reduce la distancia entre las dos placas con el efecto de un aumento de la capacidad, manteniendo igual la superficie y la constante dieléctrica. Este sistema permite la medición de presión con elevada sensibilidad y por lo tanto la medición de rangos muy bajos hasta unos pocos milibar. Dado que la membrana permite una deformación máxima hasta apoyarse a la placa estática resulta una elevada seguridad contra sobrecarga. Las limitaciones practicas están determinadas por el material y las características de la membrana y las técnicas de unión y sellado.

Sensores de presión piezoeléctricos

El principio de los sensores piezoeléctricos se basa en un efecto físico que sucede en unos pocos cristales no conductivos como el cuarzo.  Cuando se comprime el cuarzo se produce una polarización eléctrica en superficies opuestas. La deslocalización de la estructura cristalina con carga eléctrica genera un momento dipolar que se refleja en un una (aparente) carga de superficies. La intensidad de la carga es proporcional a la fuerza empleada por la presión y la polaridad depende de la dirección. La tensión eléctrica generada por la carga de la superficie puede captarse y amplificarse. El efecto piezoeléctrico es apto únicamente para la medida de presiones dinámicas. En la práctica se limita el uso de sensores piezoeléctricos a aplicaciones especiales.

Ver también un vídeo instructivo: Cómo ajustar el span y el punto cero de un transmisor de presión 


Autores: Eugen Gassmann, Anna Gries, Extracto de “Elektronische Druckmesstechnik”, Editorial: Verlag Moderne Industrie, ISBN 978-3-937889-95-5, con la asistencia técnica de WIKA Alexander Wiegand SE & Co. KG www.wika.es


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