UNIVERSIDAD DE GUANAJUATO

DIVISIN DE INGENIERAS CAMPUS

IRAPUATO SALAMANCA

ELABORADO POR:

DIEZ CASTRO JORGE ARTURO, ESPAA DELGADO

ALEJANDRO, ARRIAGA MACIEL OSCAR JOSUE

MATERIA:

SISTEMAS DE MEDICIN

PROYECTO I

TEMA

SENSORES DE PRESIN

M. en I. TAVERA VACA FERNANDO

Salamanca, Guanajuato a 21 de MAYO del 2015.

CONTENIDO

RESUMEN

MARCO TEORICO

UNIDADES DE MEDICION

TIPOS DE PRESION

CLASIFICACION DE LOS SENSORES

BASADOS EN PRINCIPIOS MECANICOS

BASADOS EN PRINCIPIOS ELECTRICOS

CONCLUISONES

BIBLIOGRAFIA

RESUMEN

En el siguiente trabajo se expondr las caractersticas principales de los sensores

de presin as como su fundamento, Dando a conocer todos los diferentes tipos de

sensores de presin y sus clasificaciones partiendo desde sus orgenes en la

antigedad hasta la actualidad de cmo han ido evolucionando y se han

implementando nuevas tecnologas para ser cada vez ms precisos y eficientes

mostrando su importancia dentro de la ciencia.

MARCO TEORICO

Una parte muy importante en la ciencia y su avance es la capacidad de medir y

comparar un fenmeno con otro y as tener un entendimiento ms profundo del

mundo que se manifiesta a nuestro alrededor, el hombre al ser capaz de medir

tambin es capaz de guiarse en la manera modificar algn proceso dentro de un

sistema y llegar al objetivo deseado.

Se llama sensor al instrumento que produce una seal, usualmente elctrica

(anteriormente se utilizaban seales hidrulicas), que refleja el valor de una

propiedad, mediante alguna correlacin definida (su ganancia). As tambin la

importancia del Transductor ya que este es un instrumento que convierte una

forma de energa en otra (o una propiedad en otra).

Figura 1. Diagrama de un medidor-transmisor

La presin puede definirse como una fuerza por unidad de rea o superficie:

= /

Figura 2. Elemento diferencial de Presin

Junto con la temperatura, constituyen las variables que ms frecuentemente se

miden y controlan en los procesos industriales.

Generalmente se mide comparativamente, buscando el equilibrio con la presin

ejercida por una fuerza conocida (de una columna liquida, un resorte, un mbolo

cargado con un peso o cualquier otro elemento que pueda sufrir una deformacin

cualitativa cuando se le aplica la presin.

Para esto desde sus registros ms antiguos que se tienen en la historia nos

remontamos a 1549 con Galileo Galilei, nacido en Pisa (Italia), obtiene la

patente para una mquina para bombear agua de un ro para el riego de las

tierras. El corazn de la bomba era una jeringa. Galileo Galilei descubri que 10

metros era el lmite al que el agua se levantara en la bomba de succin, pero no

tena ninguna explicacin para este fenmeno. Los cientficos se dedicaron a

continuacin para encontrar la causa de este.

Figura 3. Bomba de agua inventada por Gaileo

En 1644 el Evangelista Torricelli (Torr), fsico italiano, llen un tubo de 1 metro de

largo, hermticamente cerrado en un extremo, con el mercurio y la coloc en

posicin vertical con el extremo abierto en un recipiente con mercurio. La columna

de mercurio invariablemente cay a aproximadamente 760 mm, dejando un

espacio vaco por encima de su nivel.

Figura 4. Torricelli con tubos de mercurio

Blaise Pascal, filsofo francs, fsico y matemtico, se enter de los experimentos

de Torricelli y estaba buscando las razones que Galileo y Torricelli encontraron. l

lleg a la conviccin de que la fuerza, lo que mantiene la columna a 760 mm, es el

peso del aire por encima. Por lo tanto, en una montaa, la fuerza debe reducirse

por el peso del aire entre el valle y la montaa. Predijo que la altura de la columna

disminuira que demostr con sus experimentos en la montaa Puy-de-Dme, en

el centro de Francia. De la disminucin poda calcular el peso del aire. Pascal

formul tambin que esta fuerza, lo llam "presin", est actuando de manera

uniforme en todas las direcciones.

Ahora en la actualidad los modernos sensores de tecnologa piezoresistiva que

pesan 0.01 gramos donde el lmite de precisin para estos sensores no es

detectable hoy en dia y aplica para rangos de presiones de 100 mbar hasta 1500

bar en las presiones absoluta, manomtrica y diferenciales.

UNIDADES DE MEDICIN

El pascal. Puede derivarse desde las unidades SI del metro y el Newton. 1 Pa = 1

N/m2. En presin metereolgica normalmente se indica en hPa(hectopascal). Esta

unidad ha sustituido a la anteriormente habitual mbar. Se le dio el nombre de

pascal por Blaise Pascal (1623 - 1662), matemtico y cientfico Francs. En

aplicaciones industriales, se utiliza frecuentemente la unidad bar, Kpa o MPa.

Como el pascal es una unidad de presin muy pequea, se utiliza bsicamente

para medir presin en salas blancas. Pero el Pa es una unidad de medicin que

tambin se utiliza cuando se mide velocidad con un tubo de pitot

El hPa (= mbar) se utiliza principalmente en metereologa pero en algunos casos

tambin en comercio e industria. Las unidades bar, KPa y MPa son unidades

estndar en tecnologa de medicin industrial de presin. La unidad mmHg es la

ms frecuente en ingeniera mdica. La presin de la sangre, por ejemplo, se mide

en mmHg. El micrn es la unidad menor (750 micron = 1 hPa) y se utiliza

principalmente en vaco, por ej. instalaciones de refrigeracin

Unidades britnicas:

- psi (libra por pulgada al cuadrado)

- inH2O (pulgadas de agua)

-in Hg (pulgadas de mercurio)

-Las antiguas unidades como Torr, at, ata, atu, atm kp/cm2 ya no son habituales

y bajo la Ley de Unidades ya no se utilizan en transacciones oficiales o

comerciales.

TIPOS DE PRESIN

Presin absoluta: Presin comparada con el valor cero del vaco absoluto (Pabs =

0).

Presin positiva: Presin en funcin de la presin atmosfrica, considerndose

esta como valor cero. Los detectores que miden esta presin se llaman sensores

de presin relativa.

Presin negativa: Presin medida por debajo de la presin baromtrica diaria

Presin Atmosfrica: Es aquella ejercida por la atmsfera terrestre. Vara

ligeramente con las condiciones meteorolgicas y decrece con la altitud.

El vaco es la diferencia de presiones entre la presin atmosfrica y la presin

absoluta, cuando sta es menor a la atmosfrica.

Figura 5. Rangos de Medicin

CLASIFICACION DE LOS SENSORES

Basados en principios mecnicos, como deformacin por fuerza.

Columnas de Lquido:

-Manmetro de Presin Absoluta.

-Manmetro de Tubo en U.

-Manmetro de Pozo.

-Manmetro de Tubo Inclinado.

-Manmetro Tipo Campana.

-Barometro Liquido

Instrumentos Elsticos:

-Tubos Bourdon.

-Fuelles.

-Diafragmas.

Basados en principios elctricos, por conversin de una deformacin o

fuerza a una propiedad elctrica.

-Medidores de Esfuerzo (Strain Gages)

-Transductores de Presin Resistivos

-Transductores de Presin Capacitivos

-Transductores de Presin Magnticos

-Transductores de Presin Piezoelctricos

BASADOS EN PRINCIPIOS MECNICOS

MANOMETRO DE PRESION ABSOLUTA

Manmetro de presin absoluta. Este tipo de indicador comprende un tubo en "U"

de vidrio parcialmente lleno de mercurio, con la parte superior de una pierna

evacuada y sellada ( figura 6). La presin a ser medida es aplicada a la otra

pierna, y h puede ser ledo en unidades de mercurio absoluto. Para convertir a

libras por pulgada cuadrada absolutas (psia),

P = 0.490h

Figura 6. Manometro de presin absoluta

Donde P es la presin absoluta en psia. si h est indicado en centmetros, este

valor puede ser convertido a kilogramos por centmetro cuadrado absoluto al

multiplicar por 0.0136.

MANMETRO DE TUBO EN FORMA DE "U"

La forma ms tradicional de medir presin en forma precisa utiliza un tubo de

vidrio en forma de "U", donde se deposita una cantidad de lquido de densidad

conocida (para presiones altas, se utiliza habitualmente mercurio para que el tubo

tenga dimensiones razonables; sin embargo, para presiones bajas el manmetro

en U de mercurio sera poco sensible). El manmetro en forma de "U" conforma

un sistema de medicin ms bien absoluto y no depende, por lo tanto, de

calibracin. Esta ventaja lo hace un artefacto muy comn. Su desventaja principal

es la longitud de tubos necesarios para una medicin de presiones altas y, desde

el punto de vista de la instrumentacin de procesos, no es sencillo transformarlo

en un sistema de transmisin remota de presin

Figura 7. Manometro en forma de U

MANOMETRO DE POZO

Manmetro tipo pozo. En este diseo (tambin llamado manmetro tipo columna

nica), una pierna es reemplazada por un pozo de gran dimetro de manera que

la presin diferencias sea indicada slo por la altura de la columna en una nica

pierna. La relacin de dimetros es importante y deber ser tan grande como sea

posible para reducir los errores resultantes del cambio en el nivel en el pozo de

gran dimetro. (figura 2).

La diferencia de presin puede ser leda directamente sobre una escala nica.

Para balance esttico.

2 1 = 1 +12

Donde:

A1= Area de la pierna de menor dimetro

A2=Area del pozo

h=Altura de la columna

P2, P1=Presiones

Figura 8. Manometro de Pozo

Si la relacin de Al/A2 es pequea comparada con la unidad, entonces el error en

despreciar ste trmino se vuelve insignificante, y la relacin de balance esttico

se vuelve:

2 1 =

En algunos manmetros este error es eliminado al reducir el espacio entre

graduaciones de escala por la cantidad requerida

MANOMETRO DE TUBO INCLINADO

En este dispositivo, de manera de leer pequeos diferenciales de presin ms

precisamente, la pierna de menor dimetro est inclinada (figura 3). Esto produce

una escala ms larga de manera que:

=

Figura 9. Manmetro de Pozo

MANOMETRO DE CAMPANA

Este dispositivo utiliza un contenedor inmerso en un lquido de sellado. La presin

a ser medida es aplicada al interior de la campana, cuyo movimiento es opuesto a

un resorte restrictivo (figura 10 a. En el manmetro de presin diferencial del tipo

campana, las presiones son aplicadas tanto al exterior como al interior de la

campana. El movimiento est restringido por un resorte opuesto.

Figura 10. Manmetro tipo campana: a) campana con liquido sellado b) manometro de presin

diferencial

BAROMETRO LIQUIDO

Barmetro lquido Un simple barmetro puede ser construido a partir de un tubo

de vidrio que est cerrado en un extremo y abierto en el otro. La longitud del tubo

debe ser mayor de 30 pulgadas (76,2 cm). El tubo est primero completamente

lleno de mercurio, el extremo abierto temporalmente tapado, y luego el extremo

tapado colocado en un contenedor parcialmente lleno de mercurio. Cuando el

tapn es quitado, el mercurio en el tubo caer en una cierta cantidad, creando un

vaco en la parte superior del tubo. La altura de la columna, como se mide en la

figura y expresada en pulgadas o milmetros de mercurio, ser entonces

proporcional a la presin atmosfrica.

Figura 11. Barometro liquido

TUBO BOURDON

El tubo Bourdon funciona en base a la relacin entre la carga y la deformacin es

una constante del material, conocida como mdulo de Young. Si la constante de

deformacin es conocida, se puede obtener la carga segn: Carga = D*Y.

Entonces, ante deformaciones pequeas de materiales elsticos, se pueden

cuantificar las cargas (fuerzas) solicitantes. El tubo Bourdon es tal vez el

manmetro ms comn en plantas de procesos que requieran medicin de

presiones. Consiste de un tubo metlico achatado y curvado en forma de "C",

abierto slo en un extremo. Al aplicar una presin al interior del tubo, la fuerza

generada en la superficie exterior de la "C" es mayor que la fuerza generada en la

superficie interior, de modo que se genera una fuerza neta que deforma la "C"

hacia una "C" ms abierta. Esta deformacin es una medicin de la presin

aplicada, que puede determinarse por el desplazamiento mecnico del puntero

conectado al tubo Bourdon, o mediante un sistema de variacin de resistencia o

campos elctricos o magnticos. Otras formas tpicas del tubo son espiral y

helicoidal.

Figura 12. Partes de un tubo burdon

Figura 13. Elemento en Espiral (Espiras en torno a un eje comn.)

Figura 14. Elemento Helicoidal (Mismo efecto, pero en forma de hlice.)

FUELLE

El fuelle es parecido al diafragma compuesto, pero de una sola pieza flexible

axialmente, y puede dilatarse o contraerse con un desplazamiento considerable.

debido al material con el que est construido cada uno de sus componentes es de

larga duracin y se aplica para bajas presiones, donde tiene un rango de

operacin de 0 a 3 Kg/cm2 para fuelle abierto y 13 a 230 cmH2O para fuelle

cerrado. El material empleado para el fuelle es usualmente bronce fosforoso y el

muelle es tratado trmicamente para mantener fija su constante de fuerza por

unidad de compresin. Se emplean para pequeas presiones.

Figura 15. Elementos de un Fuelle

DIAFRAGMA

El diafragma consiste en una o varias cpsulas circulares conectadas rgidamente

entre s por soldadura, de forma que al aplicar presin, cada cpsula se deforma y

la suma de los pequeos desplazamientos es amplificada por un juego de

palancas. El sistema se proyecta de tal modo que, al aplicar presin, el

movimiento se aproxima a una relacin lineal en un intervalo de medida lo ms

amplio posible con un mnimo de histresis y de desviacin permanente en el cero

del instrumento.

El material del diafragma es normalmente aleacin de nquel o inconel x. Se utiliza

para pequeas presiones.

Figura 16. Partes de un Diafragma

BASADOS EN PRINCIPIOS ELECTRICOS

MEDIDORES DE ESFUERZO O GALGA EXTENSIOMTRICA (STRAIN

GAGES)

Un extensmetro, galga extensiomtrica o strain gage (en ingls) es un

dispositivo de medida universal que se utiliza para la medicin electrnica de

diversas magnitudes mecnicas como pueden ser la presin, carga, torque,

deformacin, posicin, etc. Se entiende por strain o esfuerzo a la cantidad de

deformacin de un cuerpo debida a la fuerza aplicada sobre l. Si lo ponemos en

trminos matemticos, strain ( ) se define como la fraccin de cambio en

longitud, como de demuestra la figura a continuacin:

Figura 17. Definicin de strain

Figura 18.Strain Gages metlico

TRANSDUCTORES DE PRESIN RESISTIVOS

Constituyen, sin duda, uno de los transmisores elctricos ms sencillos. Consisten

en un elemento elstico (tubo Bourdon o capsula) que varia la resistencia ohmica

de un potencimetro en funcin de la presin. El potencimetro puede adoptar la

forma de un solo hilo continuo o bien estar arrollado a una bobina siguiendo un

valor lineal o no de resistencia. Existen varios tipos de potencimetro segn sea el

elemento de resistencia: potencimetros de grafito, de resistencia bobinada, de

pelcula metlica y de plastico moldeado. En la figura 19 puede verse un

transductor resistivo representativo que consta de un muelle de referencia, el

elemento de presin y un potencimetro de precisin. El muelle de referencia es el

corazn del transductor ya que su desviacin al comprimirse debe ser nicamente

una funcin de la presin y adems debe ser independiente de la temperatura, de

la aceleracin y de otros factores ambientes externos.

Figura 19.Transductor resistivo

Se basan en la variacin de capacidad que se produce en un condensador al

desplazarse una de sus placas por la aplicacin de presin figura 19. La placa

mvil tiene forma de diafragma y se encuentra situada entre dos placas fijas. De

este modo se tienen dos condensadores uno de capacidad fija o de referencia y el

otro de capacidad variable, que pueden compararse en circuitos oscilantes o bien

en circuitos de puente de Wheatstone alimentados con corriente alterna.

Los transductores capacitivos se caracterizan por su pequeo tamao y su

construccin robusta, tienen un pequeo desplazamiento volumtrico y son

adecuados para medidas estticas y dinmicas. Su seal de salida es dbil por lo

que precisan de amplificadores con el riesgo de introducir errores en la medicin.

Son sensibles a las variaciones de temperatura y a las aceleraciones

transversales y precisan de un ajuste de los circuitos oscilantes y de los puentes

de c.a. a los que estan acoplados

Figura 20.Transductor capacitivo

TRANSDUCTORES MAGNTICOS

Se clasifican en dos grupos segn el principio de funcionamiento:

a) Transductores de inductancia variable figura en los que el desplazamiento de

un ncleo movil dentro de una bobina aumenta la inductancia de esta en forma

casi proporcional a la porcin metlica del ncleo contenida dentro de la bobina.

Figura 21. Transductor de inductancia variable

El devanado de la bobina se alimenta con una corriente alterna y la f.e.m. de

autoinduccin generada se opone a la f.e.m. de alimentacin, de tal modo que al ir

penetrando el ncleo mvil dentro de la bobina la corriente presente en el circuito

se va reduciendo por aumentar la f.e.m. de autoinduccin.

El transformador diferencial estudiado en los transmisores electrnicos de

equilibrio de fuerzas es tambin un transductor de inductancia variable, si bien, en

lugar de considerar una sola bobina con un ncleo mvil, se trata de tres bobinas

en las que la bobina central o primaria es alimentada con una corriente alterna y el

flujo magntico generado induce tensiones en las otras dos bobinas, con la

particularidad de que si el ncleo esta en el centro, las dos tensiones son iguales y

opuestas y si se desplaza a la derecha o a la izquierda, las tensiones son distintas.

Es decir, que el transformador diferencial es ms bien un aparato de relacin de

inductancias.

Los transductores de inductancia variable tienen las siguientes ventajas: no

producen rozamiento en la medicin, tienen una respuesta lineal, son pequeos y

de construccin robusta y no precisan ajustes crticos en el montaje. Su precisin

del orden de 1 %.

b) Los transductores de inductancia variable consisten en un imn permanente o

un electroimn que crea un campo magntico dentro del cual se mueve una

armadura de material magntico.

El circuito magntico se alimenta con una fuerza magnetomotriz constante con lo

cual al cambiar la posicin de la armadura vara la reluctancia y por lo tanto el flujo

magntico. Esta variacin del flujo da lugar a una corriente inducida en la bobina

que es, por tanto, proporcional al grado de desplazamiento de la armadura mvil.

Figura 22. Transductor de inductancia variable

El movimiento de la armadura es pequeo (del orden de un grado como mximo

en armaduras giratorias) sin contacto alguno con las partes fijas, por lo cual no

existen rozamientos eliminndose la histresis mecnica tpica de otros

instrumentos. Los transductores de reluctancia variable presentan una alta

sensibilidad a las vibraciones, una estabilidad media en el tiempo y son sensibles

a la temperatura. Su precisin es del orden de 0,5 %.

Ambos tipos de transductores posicionan el ncleo o la armadura mviles con un

elemento de presin (tubo Bourdon, espiral ... ) y utilizan circuitos elctricos

bobinados de puente de inductancias de corriente alterna.

TRANSDUCTORES PIEZOELECTRICOS

Los elementos piezoelctricos figura son materiales cristalinos que, al deformarse

fisicamente por la accin de una presin, generan una seal elctrica. Dos

materiales tpicos en los transductores piezoelctricos son el cuarzo y el titanato

de bario, capaces de soportar temperaturas del orden de 150 C en servicio

continuo y de 230 C en servicio intermitente.

Figura 23. Transductor piezoelctrico

Son elementos ligeros, de pequeo tamao y de construccin robusta. Su seal

de respuesta a una variacin de presin es lineal y son adecuados para medidas

dinmicas, al ser capaces de respuestas frecuenciales de hasta un milln de ciclos

por segundo. Tienen la desventaja de ser sensibles a los cambios en la

temperatura y de experimentar deriva en el cero y precisar ajuste de impedancias

en caso de fuerte choque. Asimismo, su seal de salida es relativamente dbil por

lo que precisan de amplificadores y acondicionadores de seal que pueden

introducir errores en la medicin.

En el tabla pueden verse las caractersticas de los elementos electromecanicos

descritos.

Tabla 1. Transductores electromecnicos

CONCLUSIONES

Este reporte complementa lo aprendido en las sesiones anteriores dando un

panorama ms amplio a cerca de los sensores especialmente los de presin.

Tambin se pudo observar que hay muchos sensores para distintas necesidades

y recursos que eso es algo muy importante a la hora de realizar un proyecto o

querer optimizar alguna maquina especifica. Es de gran utilidad conocer los

varios tipos de sensores y sus caractersticas para disear sistemas de

clasificacin y reconocimiento de patrones para que operen dentro de las normas

y restricciones del mecanismo en el que se est trabajando. Por ejemplo si se

est realizando una instalacin audio visual es de gran utilidad entender la

operacin de transductores como cmaras, monitores, foto-sensores, etc. y los

datos (seal) que ellos generan. Sin importar el tipo de sensor, la parte

fundamental para su seleccin es atender minuciosamente a la aplicacin, ya

que de sta depende en gran medida su correcta seleccin. El medio ambiente

es otra variable importante, ya que puede entorpecer en cierto rango el medio de

sensado, adems de los problemas de operacin del mismo. Es importante

atender las recomendaciones de uso y aplicacin del fabricante, en particular por

el hecho de que algunos sensores son de precio elevado y un error en su

instalacin o manejo puede ocasionar una inversin adicional al volverlos a

comprar. Sin lugar a dudas, el empleo de los sensores de presin y

transductores, nos permiten mejoras en algn proceso que se est llevando a

cabo, traducidas en: exactitud, seguridad, disminucin de tiempos y pocas fallas.

En algunos sensores de presin la generacin de una seal est determinada

por el tipo de material que se maneje y la distancia, de igual forma puede

intervenir otros factores, tales como el color o la forma. Para un sensor

capacitivo, las distancias para detectar un material metlico, suelen ser muy

pequeas, para el caso de materiales no metlicos, no es posible su deteccin.

BLIBLIOGRAFIA

instrumentacionunefm.files.wordpress.com/2012/05/sensoresdepresion.pdf+&cd=6&hl=es&ct=clnk&gl=mx

"Piezoelectric sensors". Piezocryst website. Retrieved 2006-06-02.

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Sensor&action=edit&section=3

sensoresdepresion.blogspot.com

Giancoli, Douglas G. (2004). Physics: principles with applications. Upper Saddle River, N.J.: Pearson Education.

http://www.ebah.com.br/content/ABAAAgQWwAB/tipossensores-presion-y-flujo

http://www.tecnoficio.com/electricidad/instrumentacion_industr ial.php