Un sensor de presión convierte los cambios mecánicos de presión en gases o líquidos en señales eléctricas. Los tipos más comunes de sensores de presión se basan en el principio piezoresistivo, capacitivo o piezoeléctrico.
¿Cómo funciona un sensor de presión?
Un sensor de presión mide la presión resultando de la deformación de una membrana sometida a presión. El sensor convierte esta deformación en una señal eléctrica mediante diversas tecnologías, para el procesamiento y la transmisión a dispositivos externos que monitorean y controlan los procesos en función de la presión. La medición de presión es una de las tecnologías más importantes y más utilizadas para monitorear y controlar máquinas y sistemas en la tecnología de procesos. Baumer ofrece una amplia gama de sensores de presión para una gran variedad de aplicaciones.
Un sensor de presión consta de varios componentes principales. La estructura de un sensor de presión incluye una membrana que se deforma cuando cambia la presión, una zona de absorción de presión con abertura, diversos elementos sensores (por ejemplo, piezoeléctricos, capacitivos o piezoresistivos), una unidad de procesado de señales para amplificar y procesar las señales, una caja protectora y conexiones eléctricas y mecánicas para conectar con dispositivos externos. Estos componentes trabajan juntos para obtener mediciones precisas en diversas aplicaciones.
Básicamente, existen distintos tipos de sensores de presión basados en principios diferentes:
Los sensores de presión resistivos miden la presión modificando la resistencia eléctrica cuando un material se somete a una tensión mecánica.
Los sensores de presión piezoeléctricos generan tensión eléctrica mediante el desplazamiento de la carga en un material piezoeléctrico cuando se aplica presión.
Los sensores de presión capacitivos detectan el cambio de capacitancia de un condensador causado por la deformación de una membrana.
Los sensores inductivos de presión miden la presión según el cambio de la inductancia de una bobina cuando se mueve un núcleo magnético o membrana.
Los sensores de presión con elemento Hall utilizan el efecto Hall para medir los cambios de presión.
Los sensores de presión MEMS utilizan estructuras micromecánicas en un chip de silicio para medir la presión.
Baumer se ha especializado en los generalmente utilizados sensores de presión resistivos y sensores de presión piezoresistivos. Aquí encontrará los sensores de presión Baumer.
Técnicas para medir la presión
Presión absoluta
La presión absoluta es la presión relativa a un vacío completo y, por tanto, siempre es positiva. Se mide en unidades como Pascal (Pa), Bar o Psi (abs). La medición se realiza con sensores utilizando el vacío como referencia. Los sensores más utilizados son los sensores MEMS así como los sensores capacitivos y los sensores piezorresistivos utilizando la deformación de una membrana o el cambio de propiedades eléctricas para medir la presión.
Ámbitos de aplicación típicos:
Monitoreo o control de procesos físicos en función de la presión absoluta, como presión del vapor en esterilizadores o autoclaves
La presión relativa se mide en relación con la presión atmosférica actual y puede asumir valores positivos o negativos. Se especifica en unidades como Pascal (Pa), Bar o Psi (manométrico). Los sensores de presión relativa deben calibrarse periódicamente y utilizan diversas tecnologías, como sensores piezoeléctricos y capacitivos, para convertir las diferencias de presión en señales eléctricas. Muchos de estos sensores disponen de un orificio de ventilación para referenciar.
Fuerza de sujeción durante la manipulación de la pieza mediante aspiración
Medición de la presión en sistemas hidráulicos o neumáticos
Presión diferencial
La presión diferencial es la diferencia de presión entre dos puntos en el sistema y puede asumir valores positivos o negativos. Se mide en unidades como Pascal (Pa), Bar o Psi y utiliza diversas tecnologías de sensores, como sensores de presión capacitivos y piezoeléctricos. Los sensores de presión diferencial son menos sujetos a las condiciones ambientales externas y requieren calibración periódica. La presión diferencial también puede medirse con dos sensores individuales, cuyos dos señales se procesan en la presión diferencial en el controlador.
La modificación de la resistencia específica y, por lo tanto, de la señal surge de la movilidad variable de los electrones en la estructura cristalina en el caso de materiales semiconductores. La movilidad se ve influenciada por la carga mecánica. Una membrana de acero inoxidable (encapsulado) separa el chip de silicio sensible del medio de proceso. Se utiliza parafina o aceite de silicona como fluido de transmisión para la transmisión interna de presión, en función de la aplicación.
La modificación de la resistencia específica y, por lo tanto, de la señal surge de la movilidad variable de los electrones en la estructura cristalina en el caso de materiales semiconductores. La movilidad se ve influenciada por la carga mecánica. Una membrana de acero inoxidable (encapsulado) separa el chip de silicio sensible del medio de proceso. Se utiliza parafina o aceite de silicona como fluido de transmisión para la transmisión interna de presión, en función de la aplicación.
Los transmisores con tecnología de silicio piezorresistivo se caracterizan por una elevada precisión de medición y estabilidad a largo plazo. Gracias a su carcasa completamente soldada, presentan una larga vida útil y también se pueden utilizar en zonas con riesgos de explosión (ATEX).
Los sensores de presión también son adecuados para rangos de medición reducidos, especialmente para mediciones de nivel hidrostático a partir de una altura de 0,5 m.
El cuerpo base consta de un monolito cerámico, en cuya membrana están impresas las resistencias en la parte posterior. La presión del aire ambiente actúa como presión de referencia en este lado. Debido al principio, solo es posible medir la presión relativa. Las células cerámicas de medición se caracterizan por una buena estabilidad a largo plazo y resistencia a la corrosión. Se requiere una junta para separar los medios dado que la cerámica no se puede soldar a la conexión a proceso. En caso de tecnología de capa gruesa de cerámica, se interconectan cuatro resistencias para formar un puente Wheatstone. En el centro de la membrana, las resistencias experimentan la mayor expansión en caso de presurización y la mayor compresión en las zonas de los bordes. En caso de células cerámicas, la membrana de medición también constituye la membrana de separación de los medios. No se requiere líquido de transmisión interno.
La capa de medición se encuentra entre un disco fino de membrana cerámica y un cuerpo base de cerámica. El espacio necesario para que la deformación de la membrana se genera mediante la distancia creada de manera específica. El volumen así formado se puede ventilar o evacuar con presión ambiental, lo que permite la medición de la presión relativa o absoluta. Las células cerámicas de medición se caracterizan por una buena estabilidad a largo plazo y resistencia a la corrosión. Se requiere una junta para separar los medios dado que la cerámica no se puede soldar a la conexión a proceso. En caso de tecnología de capa gruesa de cerámica, se interconectan cuatro resistencias para formar un puente Wheatstone. En el centro de la membrana, las resistencias experimentan la mayor expansión en caso de presurización y la mayor compresión en las zonas de los bordes. En caso de células de lámina fina, la membrana de medición también constituye la membrana de separación de los medios. No se requiere líquido de transmisión interno.
El cuerpo base es de acero inoxidable. La estructura de resistencia se crea mediante fotolitografía. Las células de medición de lámina fina se caracterizan por su excelente resistencia a los picos de presión y las presiones de explosión. Incluso las presiones extremadamente elevadas se pueden medir de manera fiable, también en caso de importantes golpes y vibraciones. En caso de tecnología de lámina fina de cerámica, se interconectan cuatro resistencias para formar un puente Wheatstone. En el centro de la membrana, las resistencias experimentan la mayor expansión en caso de presurización y la mayor compresión en las zonas de los bordes. En caso de células de lámina fina, la membrana de medición también constituye la membrana de separación de los medios. No se requiere líquido de transmisión interno. Por norma general, la tecnología de lámina fina solo se ofrece para medir la presión relativa, ya que crear un vacío en la parte posterior de la membrana requiere mucho esfuerzo.
Dependencia de la temperatura y tolerancia a la temperatura
La precisión de un sensor de presión depende en gran medida de la temperatura ambiente y del medio. La tolerancia de temperatura de cada sensor determina su precisión a diferentes temperaturas.
El error estándar de medición y/o la desviación máxima de medición se especifican en relación con una temperatura de referencia, que suele ser de 20 °C. Sin embargo, un sensor no suele funcionar a 20 °C o a una temperatura constante. Esto tiene un efecto correspondiente en el error de medición estándar y la desviación de medición máxima, que pueden empeorar como consecuencia.
La aplicación puede desviarse de la temperatura de referencia (por ejemplo, 20 °C), de forma que el error estándar de medición o la desviación máxima de medición deben considerarse de manera diferente. A menudo se prefieree un sensor de presión con temperatura estable con menor precisión inicial a un sensor de presión inestable con mayor precisión inicial, en el caso de que la temperatura de funcionamiento se desvía de la temperatura de referencia (por ejemplo, 20 °C).
Dependencia de la temperatura en la máxima divergencia de medición
Dependencia de la temperatura y diferentes precisiones iniciales; azul: sensor de presión Baumer de gran estabilidad, gris: ejemplos de competidores del mercado, azul discontinuo: sensor de presión Baumer de gran estabilidad con una precisión inicial ligeramente inferior
Especificación del error
Baumer especifica el «error máximo», es decir que estadísticamente el 99,7 % de los sensores cumplen la especificación. Los competidores pueden specicar el «error típico», es decir que el 32 % de los productos no cumplen la especificación.
Aquí encontrará nuestra guía sobre el tema: "Interpretar correctamente las especificaciones de los sensores de presión"
El vapor caliente se utiliza para esterilizar aparatos e instalaciones. Los elementos pequeños, como un sensor (autoclavable PBMH), se pueden esterilizar en una cámara adecuada (autoclave). En el caso de una instalación más grande, el vapor caliente pasa a través de la instalación, lo que se conoce como «Sterilization in place» (SIP). Un sensor debe estar diseñado para ser resistente, incluso si su señal no se valora durante el proceso de esterilización. El sensor debe sobrevivir a la temperatura predominante de, por ejemplo, 134 °C y a la presión por encima de 3 bar durante el período de tiempo de, por ejemplo, 30 minutos. La presión y la temperatura están físicamente interrelacionadas, como se muestra en la curva de vapor saturado.
Presión de vapor saturado en función de la temperatura
Los sensores de presión Baumer PBMx y PFMx resultan ideales para controlar el proceso de esterilización. También proporcionan valores exactos con cambios rápidos de temperatura y, por lo tanto, regulan el proceso de manera fiable a través de la presión, lo que genera la temperatura requerida correspondiente.
Definición de los rangos de presión
Explicación de términos y conexiones
Repetibilidad: describe la posible desviación de una sola medición con respecto a la media de muchas mediciones y puede entenderse como círculo de dispersión. Elevada repetibilidad: pequeño círculo de dispersión, baja repetibilidad: gran círculo de dispersión.
Precisión: describe la distancia (desplazamiento) entre el valor medio de muchas mediciones y el auténtico valor. Elevada precisión: pequeño desplazamiento, baja precisión: gran desplazamiento.
Error de medición estándar: esta información se proporciona mediante el ajuste del valor mínimo (Best Fit Straight Line, BFSL) y describe la repetibilidad (círculo de dispersión).
Máxima desviación de medición: incluye el error estándar de medición y el desplazamiento de un sensor.
Tabla de conversión
Las unidades de medida de presión más comunes son los pascales (Pa), los milibares (mbar), los milímetros de columna de agua (mmH₂O), las libras por pulgada cuadrada (psi) y los torr, cuyas conversiones se muestran en la siguiente tabla.
