Introducción a los sensores de presión

Un sensor de presión es un componente electrónico que controla o detecta la presión (fuerza) de gases o líquidos y transforma esa información en una señal eléctrica que puede utilizarse para controlar o regular esa fuerza. Sin embargo, para iniciar el debate sobre los sensores de presión, conviene empezar con algunas definiciones fundamentales. La presión es la magnitud de la fuerza ejercida por un gas o un líquido sobre una unidad de superficie. La relación entre presión (P), fuerza (F) y área (A) viene dada por la ecuación P=F/A. La unidad tradicional de presión es el pascal, definido como un newton (N) por metro cuadrado. La presión también puede describirse como la fuerza necesaria para impedir la expansión de un fluido.

Los sensores de presión vienen en una variedad de tecnologías, que se discuten más adelante en este artículo, y cada tecnología determinará en última instancia cómo funciona un sensor de presión en particular. Aunque muchos sensores de presión disponibles en la actualidad pueden utilizarse con una amplia gama de fluidos y gases, algunos fluidos que son más viscosos o espesos (pasta de papel, asfalto, petróleo crudo, etc.) pueden requerir sensores de presión personalizados. No obstante, existe un tipo de sensor de presión adecuado para casi cualquier escenario.

Cómo resolver la confusión de nombres

En un nivel fundamental, los sensores de presión, los transductores de presión y los transmisores de presión son comparables en su función y, por lo tanto, los términos se utilizan a menudo indistintamente. Sin embargo, las principales diferencias entre ellos radican en sus señales de salida.

Un sensor de presión detecta la fuerza de la presión y genera una señal de salida que corresponde a la magnitud de la fuerza ejercida. Un transductor de presión transforma la fuerza detectada en una salida de tensión continua (V), mientras que un transmisor de presión convierte la fuerza detectada en una salida de corriente (mA).

En el uso común, los sensores de presión pueden denominarse con diversos términos, como transductores de presión, transmisores de presión, emisores de presión, indicadores de presión, piezómetros y manómetros. Independientemente de su nomenclatura, estos dispositivos se utilizan para controlar y regular la presión en numerosas aplicaciones, y también pueden utilizarse para medir otras variables, como el caudal de fluido/gas, la altitud y el nivel del agua.

Tipos de medición de la presión

En el ámbito de la medición de la presión y los sensores de presión, hay una serie de términos que deben comprenderse para garantizar un rendimiento óptimo del sistema y la precisión de las mediciones. El tipo específico de sensor de presión utilizado en su aplicación puede influir significativamente en estos factores, ya que la presión se mide normalmente en relación con una referencia, como la presión atmosférica a nivel del mar.

Un término crucial es la presión manométrica, que es una medida de la presión relativa a la presión ambiente o atmosférica local. La presión indicada es superior o inferior a la presión atmosférica local.

Otro término significativo es el de presión absoluta, que es la medición de la presión relativa a una referencia de presión cero o de vacío. La medición obtenida mediante un sensor de presión absoluta sigue siendo la misma independientemente del lugar donde se mida.

La presión diferencial se refiere a la diferencia de presión entre dos puntos distintos de un sistema, que se utiliza con frecuencia para calcular el caudal de líquidos o gases dentro de tuberías.

La presión de vacío mide un rango de presión negativa en comparación con la presión ambiente o atmosférica local.

Por último, la presión compuesta consiste en medir tanto la presión positiva como la negativa o el vacío, combinando esencialmente la presión manométrica y la presión de vacío.

Figura 1: Visualización de la relación entre la variedad de mediciones de presión. (Fuente de la imagen: Same Sky)

Tecnologías comunes de medición de la presión

Los orígenes de la detección, comprensión y medición de la presión se remontan a los trabajos pioneros de Galileo a finales del siglo XVI y de Torricelli a mediados de ese mismo siglo. El tubo de Bourdon, el primer manómetro, se inventó en 1849, y no fue hasta 1930 cuando se introdujeron los primeros transductores de presión de salida eléctrica. Con el auge de la tecnología de semiconductores, ha aumentado el número de tecnologías utilizadas para detectar esta fuerza fundamental. He aquí un breve resumen de las principales tecnologías de medición de la presión y sus aplicaciones:

• Capacitiva: detecta las alteraciones de la capacitancia eléctrica provocadas por la presión que flexiona un diafragma entre las placas de un capacitor.
• Inductivo: detecta pequeñas desviaciones de un diafragma unido a un núcleo magnético que provoca un movimiento lineal en el núcleo. Este movimiento varía la corriente inducida y se transforma en una señal eléctrica.
• Ópticos: utilizan una fuente de luz que se bloquea gradualmente al aumentar la presión y un sensor que produce una señal proporcional al cambio de la luz. También pueden utilizarse sensores de fibra óptica para medir los cambios en la trayectoria y la fase de la luz provocados por la presión.
• Piezoeléctrico: un material de cuarzo o cerámica genera una carga eléctrica variable proporcional a la cantidad de compresión que le aplica una presión externa. La tecnología piezorresistiva mide la presión utilizando el cambio de resistencia eléctrica de un material cuando se estira.
• Potenciométrico: utiliza un dispositivo de resistencia (potenciómetro) y un brazo deslizante conectado a un tubo de Bourdon. Al variar la presión, el brazo se mueve y el potenciómetro emite una señal relativa en función del nivel de fuerza.
• Resonante: la fuerza aplicada a un diafragma con una cuerda vibrante altera la frecuencia de resonancia de la cuerda, que se convierte en una señal eléctrica.
• Galga extensométrica: transforma una fuerza aplicada (presión) en un cambio de resistencia eléctrica que fluctúa con la fuerza aplicada. A continuación, se puede medir esta resistencia.

Tipos de sensores de presión

Para entender los sensores de presión, también es importante revisar los diferentes tipos disponibles para su uso en un diseño. A continuación, figuran los tipos básicos, presentados por orden alfabético:

• Sensores de diafragma: incorporan placas metálicas circulares, finas y flexibles que se deforman bajo presión.
• Sensores sellados: utilizan la presión atmosférica a nivel del mar como presión de referencia.
• Sensores de estado sólido: sin piezas móviles, estos sensores utilizan un elemento de conmutación semiconductor, como un transistor de efecto de campo, para detectar la presión.
• Sensores extensómetros: se mide la resistencia provocada por un cambio de longitud debido a una fuerza externa y se convierte en una señal eléctrica.
• Sensores de película fina: como su nombre indica, estos sensores utilizan una película fina que contiene elementos resistivos que alteran la resistencia debido a los cambios de longitud y grosor inducidos por la presión.
• Sensores de vacío: diseñados para medir presiones que están por debajo de los niveles atmosféricos. Normalmente, utilizan tecnología piezoeléctrica o miden el volumen de gas en un espacio determinado.
• Sensores ventilados: miden la presión relativa a la presión barométrica ambiente.

Figura 2: Ejemplo de sensor de presión que utiliza un diafragma piezoeléctrico. (Fuente de la imagen: Same Sky)

Consideraciones sobre el diseño final

Teniendo en cuenta las tecnologías, medidas y tipos de sensores de presión anteriores, a continuación se exponen algunos criterios de selección finales que deben tenerse en cuenta a la hora de especificar un sensor de presión para un diseño concreto. El primer parámetro clave es el rango de presión de funcionamiento, que identifica el rango de presión seguro en el que el dispositivo funcionará según lo especificado por el fabricante. El rango de temperatura de funcionamiento, la presión máxima que puede tolerar el sensor antes de fallar y el tipo de salida (analógica/digital) también son consideraciones importantes. También deben tenerse en cuenta el nivel de salida, la precisión y la desviación, la resolución, la tensión de alimentación y factores ambientales como la temperatura, la humedad, la presión, la exposición a fluidos, la radiación y la distancia física entre el sensor y cualquier dispositivo receptor. Teniendo en cuenta todos estos parámetros, se puede seleccionar un sensor de presión adecuado para una aplicación específica que cumpla las condiciones de funcionamiento y los requisitos de rendimiento necesarios.

Conclusión:

Como ingeniero eléctrico, es importante comprender que la medición de la presión y la utilización de esos datos para el control y la supervisión de procesos es crucial en muchos sectores, como la fabricación y la sanidad. La detección precisa y fiable de la presión es necesaria para garantizar la calidad y seguridad de los productos y servicios. Con los avances tecnológicos, los sensores de presión están ahora disponibles en varios tipos, tecnologías, tamaños, salidas y precisiones. La elección del sensor de presión adecuado para una aplicación específica requiere una cuidadosa consideración de los parámetros de funcionamiento, como el tipo de sensor, el rango de presión, el rango de temperatura, la presión máxima, el tipo de salida, la precisión, la resolución, la tensión de alimentación y los factores medioambientales.

Afortunadamente, Same Sky ofrece una línea de sensores de presión piezoeléctricos que pueden satisfacer estos requisitos. Sus sensores están disponibles en múltiples tipos de presión y rangos de funcionamiento, lo que permite realizar mediciones flexibles y precisas.