Transductores de presin basados en Diafragma + Galgas ExtensiomtricasHaga clic para modificar el estilo de subttulo del patrn .

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INTRODUCCIN Las mediciones de presin son de las ms importantes que se hacen en la industria. Especialmente a fluidos. La cantidad de instrumentos que miden la presin con fines variados es muy extensa. Esto debido a que resulta sencillo relacionar este parmetro con otros tales como la temperatura, volumen especfico, entalpa, entropa, etc. en fluidos y con parmetros como deformacin, esfuerzo, etc. en slidos. La presin es la medida de la fuerza que se ejerce sobre un rea 4/9/12 determinada.

ALCANCEEn esta exposicin nos enfocaremos a los transductores de presin con diafragma y basados en extensometra, los cuales resultan ser los ms comunes para aplicaciones industriales tpicas (no especializadas). Siendo un transductor de doble etapa, la primera mecnica a travs de un diafragma y la segunda elctrica a travs de (como el nombre lo indica) galgas extensiomtricas.

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BREVE RESEA HISTRICA(1/3) El concepto de presin siempre ha estado presente en la historia del ser humano, desde el concepto de filo, seleccin de lugares para agricultura para cultivos determinados, creacin de presas, abastecimiento de agua a las ciudades, extraccin de agua de pozos, etc. aunque siempre de una manera experimental. No fue sino hasta el siglo XVI cuando experimentos como los de Galileo, Torricelli, Pascal, y Boyle se adentraron en este concepto principalmente basndose en la construccin de barmetros. Despus en el 4/9/12 XIX Gaysiglo

BREVE RESEA HISTRICA(2/3)Las primeras mediciones de presin eran traducibles de una forma mecnica y casi todos los transductores actuales de presin cuentan con dos etapas siendo la primera de ellas mecnica. Los primeros avances en la transduccin mecnica por medio de un diafragma corrieron a cargo de Von Leibniz y Vidie en el siglo XVII, siendo este ltimo quien logr sin saberlo delimitar una de las principales variables de anlisis del mismo en la actualidad (el radio de curvatura), construyendo el manmetro aneroide que transduca la deformacin del diafragma mediante resortes y 4/9/12 palancas.

BREVE RESEA HISTRICA(3/3)Aunque en ltima instancia fue Bourdon (inventor del tubo que lleva su nombre) quien present los mayores avances en este tema.

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Marco de Referencia(1/9)Presin es definida como fuerza por unidad de rea que un fluido ejerce en sus inmediaciones. Puede medir esta fuerza al detectar la cantidad de deflexin en un diafragma situado en lnea con el fluido. Determinada el rea conocida del diafragma, la presin puede ser calculada.

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Marco de Referencia (2/9)Existen tres mtodos para medir presin: absoluta, manomtrica y diferencial. La presin absoluta est relacionada con la presin en forma aislada, en tanto que las presiones manomtrica y diferencial estn relacionadas con otra presin como atmosfrica ambiental o la presin en un contenedor adyacente.

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Marco de Referencia (3/9)La tensin es la cantidad de deformacin de un cuerpo debido a la accin de una fuerza aplicada. Ms especficamente, la tensin se define como el cambio fraccional en longitud. Mientras existen muchos mtodos para medir tensin, el ms comn de todos es con un medidor de tensin (o galga extensiomtrica), un dispositivo cuya resistencia elctrica vara en proporcin a la cantidad de tensin en el dispositivo. La galga ms ampliamente usada es la galga extensiomtrica metlica limitada4/9/12

Marco de Referencia (4/9)Galgas Extensiomtricas Edward E. Simmons Jr. era ingeniero elctrico y el inventor de la galga extensiomtrica consolidada por la resistencia de alambre y basada en el puente de Wheatstone. Un puente de Wheatstone es un instrumento elctrico de medida inventado por Samuel Hunter Christie en 1832, mejorado y popularizado por Sir Charles Wheatstone en 1843. Se utiliza para medir resistencias desconocidas mediante el equilibrio de los 4/9/12 brazos del puente. Estos estn constituidos por

Marco de Referencia (5/9)La resistencia elctrica de los materiales es funcin de su longitud, de su rea transversal y su resistividad. Los transmisores se basan en la variacin de resistencia elctrica de un hilo cuando es sometido a tensin mecnica. El mdulo de Young relaciona la elongacin de un material con el esfuerzo al cual fue sometido, aunque en nuestro caso no ser necesario el esfuerzo sino solamente la deformacin normal.d (a )ld d

F

(b)

l + l

= F/A =Esfuerzo n= l/l =Deformacin normal 4/9/12

Marco de Referencia (6/9)Las galgas extensiomtricas casi siempre se emplean en configuraciones de puente con una fuente de excitacin de voltaje. El puente general de Wheatstone consiste de cuatro brazos resistivos con un voltaje de excitacin, VEX, que es aplicado a travs del puente.

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Marco de Referencia (7/9)Existen principalmente dos tipos de galgas extensiomtricas: galgas cementadas formadas por varios bucles de hilo muy fino que estn pegados a una hoja base de cermica, papel o plstico, y galgas sin cementar en las que los hilos de resistencia descansan entre un armazn fijo y otro mvil bajo una ligera tensin inicial

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Marco de Referencia (8/9)Algunos aspectos a tomar en cuenta en

sensores basados en puente son:

Sensores de Presin Amplificados: Los

sensores que incluyen circuitos integrados, como amplificadores, son denominados sensores amplificados.Amplificacin: La salida del puente es

relativamente pequea.

Filtrado: Los filtros paso bajo, cuando son

usados con galgas extensiomtricas, pueden eliminar el ruido de alta frecuencia prevaleciente en la mayora de4/9/12entornos. los

Marco de Referencia (9/9)

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Estado del Arte (1/3)La evolucin en los sensores de presin basados en galgas extensiomtricas se ha dado en principalmente 5 aspectos 1.- Estado de reposo de la membrana: Siendo en un principio curva compuesta, despus plana y cambiando posteriormente a formas (superficies curvas) predefinidas que permitan conocer el R (radio de curvatura) que adoptar en diferentes niveles de presin lo que permite un mejor y ms exacto anlisis de la deformacin. 2.- Mltiples mediciones: Aunque siempre ha sido rugosa, la inclusin de mltiples curvas predefinidas incluidas en la membrana permite anlisis diferencial.

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Estado del Arte (2/3)3.- Construccin de la membrana: Transductores de presin de silicio difundido. Consisten en un elemento de silicio situado dentro de una cmara conteniendo silicona que est en contacto con el proceso a travs de un diafragma flexible. El sensor est fabricado a partir de un mono cristal de silicio en cuyo seno se difunde boro para formar varios puentes de Wheatstone constituyendo as una galga extensiomtrica auto contenida.

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Estado del Arte (3/3)4.- Montaje: Configuracin de las galgas sobre el diafragma. Galgas auxiliares de referencia.

5.Aplicaciones: Compensaciones de Temperatura. Lmites rebasados. Materiales diversos (aplicaciones mdicas, espaciales, 4/9/12 industriales).

Marco Terico (1/6)Como ya se vio:

El voltaje de salida del puente, VO, es igual a:

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Marco Terico (2/6)Por tanto, si se reemplaza R4 por una galga extensiomtrica activa, cualquier cambio en la resistencia de esta galga desbalancea el puente y produce un voltaje de salida diferente de cero. Si la resistencia nominal de la galga extensiomtrica se designa por RG, entonces el cambio inducido por tensin en la resistencia, DR, se puede expresar como DR = RG*GF*e. Asumiendo que R1 = R2 y R3 = RG, la ecuacin previa del puente se puede reescribir para expresar VO/VEX como una funcin de la tensin.

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Marco Terico (3/6)Se puede doblar la sensibilidad del puente a la tensin haciendo que ambas galgas estn activas en una configuracin de medio puente.

Finalmente, se puede mejorar an ms la sensibilidad del circuito haciendo que todos los cuatro brazos del puente sean galgas extensiomtricas activas en una configuracin de puente completo.

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Marco Terico (4/6)Como puede verse a lo largo de todo el documento se ha ignorado el efecto de la temperatura sobre la resistencia de los materiales. Esto es porque se da por sentado la tcnica de compensacin siguiente: usando dos galgas extensiomtricas en el puente, se puede minimizar ms el efecto de la temperatura. Por ejemplo, una configuracin con galgas extensiomtricas, donde una galga est activa (RG+ DR) y la segunda galga se coloca transversalmente a la galga anterior. Por consiguiente, la tensin tiene poco efecto sobre la segunda galga, denominada galga ficticia. Sin embargo, cualquier cambio en la temperatura afecta a ambas galgas de la misma forma.

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Marco Terico (5/6)Aunque ya hemos visto como se calcula usualmente la deformacin mxima en un diafragma conviene ms analizarlo desde el punto de vista donde el diafragma se deforma siempre de manera constante o uniforme ya que la construccin est sometida a la funcionalidad y no viceversa. Por lo que:

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Marco Terico (6/6)

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Principio Fsico Qumico (1/5)El caso a analizar ser un diafragma simple cuya deformacin en el punto mximo elongar una galga en un arreglo de de puente. Supondremos que el voltaje Vex puede ser ledo directamente sin ninguna clase de etapa amplificadora. Cuando el puente de Wheatstone arroja una diferencia de potencial V, es decir V 0. Nosotros sabemos que para la configuracin:

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Principio Fsico Qumico (2/5)

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Principio Fsico Qumico (3/5)

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Principio Fsico Qumico (4/5)

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Principio Fsico Qumico (5/5)

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Caractersticas Principales (1/1)De Uso:Presin Temperatura del fluido y ambiental Alimentacin Nivel de proteccin del Empaquetamiento

(contra polvo y agua) Repetibilidad)

Precisin (Desviacin, Histresis y Tiempo de ajuste (Respuesta) Linealidad4/9/12

Sensores/Transductores Comerciales (1/5)

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Sensores/Transductores Comerciales (2/5)

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Sensores/Transductores Comerciales (3/5)

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Sensores/Transductores Comerciales (4/5)

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Sensores/Transductores Comerciales (5/5)

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Aplicaciones (Ejemplos) (1/5)Tpicos (Principales) Mediciones o medidores de: Presin (obvio): Inyectores, circuitos neumticos, etc. Flujo: Tneles de viento, tuberas. etc. 4/9/12

Altitud: Globos meteorolgicos, cohetes,

Detectores de fugas

Aplicaciones (Ejemplos) (2/5)Secundarios Hornos : Rangos de Temperatura elevados, Proteccin o empaquetamiento. Pistolas inyectoras de material de fundicin o aspersin de polvos: Rangos de Temperatura elevados, Proteccin o empaquetamiento. Reactores qumicos : Material de la membrana y de las partes en contacto con el fluido, tambin en la Proteccin o empaquetamiento. Instrumentos mdicos : Marcapasos (obsoletos), mquinas de hemodilisis, corazones y rganos 4/9/12 artificiales. Deriva, tiempo de respuesta ante

Aplicaciones (Ejemplos) (3/5)Horno

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Aplicaciones (Ejemplos) (4/5)Reactor

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Aplicaciones (Ejemplos) (5/5)Reactor para Qumica Orgnica

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BibliografaPallas Areny, Ramn Landau, L.D.; Lifshitz,

Sensores y Acondicionadores de Seal Editorial Marcombo 4 Edicin Barcelona, Espaa 2003 Pp 500 Timoshenko, S.;

E.M.

Teora de la Elasticidad Editorial Revert Barcelona, Espaa 1969 Pp 226 4/9/12 Sensores de Presin

Bibliografawww.siemens.com http://www.sensing.es http://www.entran.com http://www.micropik.com http://www.seac.es http://www.koboldmessring.com

Documentos varios

Carpeta ANEXOS (incluida)

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