Transductores (I) de Medida de Presión

Aquí os dejo la primera parte del trabajo que hice sobre transductores realizado para la asignatura de Tecnología Energética 2º parte en la ETSII de Valencia. Más adelante pondré el resto del trabajo, y la versión maquetada en PDF.

1) Transductores de Medida de Presión

La Presión es una magnitud física que determina la fuerza aplicada por unidad de superficie. En términos matemáticos se expresa

Sus unidades en el Sistema Internacional de Unidades es el pascal (Pa) que es unidad derivada de un newton actuando sobre un metro cuadrado
1.1) Principio de funcionamiento de los transductores para medida de la Presión:

• Manómetro de Bourdon

Este es el tipo más utilizado en la industria. Está basado en el tubo de Bourdon que es de donde coge el nombre el cual fue desarrollado por Eugene Bourdon (1808-1884 d.C. París).

Este tipo de manómetro se basa en una respuesta física ante la diferencia de presiones entre la presión atmosférica y del recipiente a medir. El tubo de Bourdon no es más que un tubo de un metal flexible como pueden ser el acero o bronce (dependiendo del las diferencias de presión que quieras medir, para grandes diferencias se usa acero mientras que para diferencias menores se usa bronce o latón) aplanado hasta llegar a parecer una lámina. Uno de los extremos del mismo está cerrado mientras que el otro extremo está comunicado directamente con el recipiente en el cual quieres medir la presión.

Al existir una diferencia de presión entre el recipiente y la atmósfera el tubo tiende a enderezarse provocando una respuesta física que usamos para poder cuantificar esa diferencia. Esto lo hacemos gracias a una aguja que gira de forma solidaria al extremo cerrado del tubo de Bourdon reflejándose en una escala graduada la diferencia de presión.

El tubo de Bourdon tiene diferentes formas dependiendo de la presión que se quiera medir. En el caso de presiones altas este tubo suele ser de dimensiones reducidas, con forma de C (se puede apreciar en la ilustración número 2), para que el movimiento que realice no sea muy grande y esté dentro de la escala del manómetro. Este tipo de manómetro puede llegar a medir diferencias de presiones de más de 690 Mpa.

En el caso de que las diferencias de presiones sean menores, para conseguir mayor precisión el tubo se alarga obteniendo el mismo una forma de espiral, obteniendo de esta forma movimientos del tubo mucho mayores con diferencias de presión reducidas. Un esquema reducido de este tipo de tubo se puede visualizar en la ilustración número 3.

Como se puede comprobar toda la responsabilidad de la medida recae sobre el tubo por lo que ha de fabricarse con unas tolerancias muy reducidas y se deben llevar a cabo tratamientos térmicos muy precisos sobre el mismo. Así mismo la unión entre la aguja y el tubo, muchas veces, se suele llevar a cabo por una biela ajustable, para poder realizar el ajuste. Esto se puede observar en la ilustración 2, el llamado acoplamiento ajustable.

También existen manómetros de Bourdón en forma de fuelles pero el mecanismo de funcionamiento básico es el mismo que los anteriores.

• Piezorresistivos

Este tipo de transductores de presión están basados en galgas extensiométricas cuyo funcionamiento consiste en que estas al deformarse cambia su conductividad produciendo de esta forma una variación física medible que nos sirve para determinar una magnitud física.

Como se puede apreciar en la ilustración número 5, una galga está formada por un conductor el cual se ha dispuesto de forma longitudinal. El esquema propuesto es una galga que es cambia su conductividad cuando existe una deformación longitudinal, esto es así debido a que los conductores dispuestos de forma longitudinal, al estirarse, reducen su grosor y por tanto aumentan la resistencia al paso de la corriente, de forma, que una vez calibrado, es capaz de medir la deformación longitudinal.

En el caso que nos ocupa, los transductores de presión. El funcionamiento se basa en una membrana flexible que separa los recintos entre los cuales se quiere medir la diferencia de presión, ya sea la atmósfera y un recipiente, u otra combinación. Sobre esta membrana se disponen galgas extensiométricas para realizar una medición lo más correcta posible así como para poder realizar una corrección de temperatura ya que los materiales, al dilatarse o contraerse según la temperatura, pueden echar a perder una medida.

La membrana, que es la parte más delicada del instrumento, se puede hacer de materiales como el silicio, en los que se busca una gran linealidad de deformación.

Así mismo gracias a que no tienen piezas móviles son capaces de soportar vibraciones y fuerzas que, por ejemplo, un manómetro de Bourdon no sería capaz. Así mismo su reducido tamaño permite que sean dispuestas allí donde sean necesarias.

Así mismo tienen un margen de utilización muy amplio llegando a máximos de mas de 63 MPa partiendo de 0 o desde 0 a 15 psi con una precisión muy alta.

• Piezoeléctricos

Este tipo de sensores utilizan el fenómeno piezoelectrico descubieto en el siglo XIX por los hermanos Curie. Este consiste en que cuando aplicas una fuerza sobre un material piezoeléctrico, como por ejemplo el cuarzo, el rubidio, la sal de seignette o varios tipos de cerámicas, este produce una diferencia de potencial siendo un proceso reversible de forma que una vez quitas la presión vuelve a su estado natural.

En la ilustración número 7 se pude apreciar un esquema de la estructura interna de los materiales piezoeléctricos. Estos, al aplicar sobre ellos una compresión, producen dentro de ellos dipolos enfrentados en la masa y cargas de signo opuesto en las superficies enfrentadas. Al ser este efecto lineal se puede aplicar para midiendo la diferencia de potencial, medir de forma cuantitativa la presión ejercida.

Los transductores de medida de presión piezoeléctricos consisten simplemente en un trozo de uno de los materiales piezoléctrico que le afecte directamente la presión del fluido, es decir, que este se puede proteger del medio pero siempre que esa protección no sea frente a presión. Esto hace que sirvan como medidores de presión absoluta y no comparativa, lo cual, para determinados usos es muy útil.

La sonda, como la que vemos en la ilustración 1 no tiene piezas móviles la hace muy resistente frente a cualquier tipo de rotura debido a esfuerzos mecánicos como vibraciones o la propia presión. Así mismo su reducido tamaño la permite colocarse en lugares de difíciles acceso o en instalaciones reducidas.