b. Instrumentos elsticos de medicin de presinEsta clase de sensores se remontan a los primeros aos de las tecnologas de la energa de vapor, el aire comprimido y la hidrulica, donde los sensores de presin utilizaban alguna forma de elemento elstico cuya geometra se vea alterada por cambios en la presin. Existen cuatro tipos de instrumentos elsticos principales utilizados para medir presin. Ellos son: Tubos Bourdon. Fuelles. Diafragmas. CpsulaBsicamente estn diseados bajo el principio que establece la deflexin que sufre un elemento elstico que es proporcional a la presin aplicada. Tubos Bourdon: En la patente de su inventor 1852 E. Bourdon describi el tubo bourdon como un tubo curvado o trenzado cuya seccin de transferencia difiere de una forma circular. En principio, se trata de un tubo cerrado en un extremo, con una seccin transversal interna que no es un crculo perfecto, y, si est doblado o deformado, tiene la propiedad de cambiar su forma con las variaciones de la presin interna. Un aumento de la presin interna provoca que la seccin transversal se vuelva ms circular y que la forma se enderece, lo que resulta en el movimiento del extremo cerrado del tubo, un movimiento comnmente llamado desplazamiento de punta. La deformacin que sufre el tubo, debido a la presin aplicada, es altamente repetitiva, pudiendo el sensor ser calibrado para producir precisiones que en muchos casos alcanzan 0,05% del span. Tal como se muestra en la figura 4, el movimiento del extremo libre del tubo Bourdon se convierte, por medio de engranajes y eslabones, en un movimiento proporcional de una aguja o una plumilla del indicador o registrador. El movimiento de tubo Bourdon tambin puede ser acoplado electrnicamente a un transmisor o transductor . Materiales de construccin: los tubos Bourdon pueden fabricarse de varios materiales, entre tos cuales se tiene: acero inoxidable 316 y 403, Cobre Berilio, K Monel, Monel y Bronce Fosforado. El material seleccionado determina tanto el rango como la resistencia del tubo a la corrosin. Por ejemplo, un tubo espiral de bronce es adecuado para presiones hasta 300 psig, mientras que uno de acero, puede manejar presiones de hasta 4.000 psig. Tubo Bourdon tipo C: se utilizan principalmente para indicacin local en medidores de presin, que estn conectados directamente sobre recipientes de proceso y tuberas. Tubo Bourdon en Espiral: se construyen enrollando el tubo, de seccin transversal plana, en una espiral de varias vueltas en vez de formar un arco de 270 como en el tipo C. Este arreglo da al espiral un mayor grado de movimiento por unidad de cambio en la presin si se compara con el tubo Bourdon tipo "C". Tubo Bourdon Helicoidal: se construye de forma similar al tubo en espiral, pero enrollando el tubo en forma helicoidal.

Figura 4. Principio de operacin del tubo Bourdon

Figura. Tipos de resortes bourdon. A) tubo tipo C, b) tubo espiral, c) tubo helicoidal Aplicaciones: los tubos Bourdon se utilizan como instrumentos de medicin directa y como instrumentos de presin en ciertos tipos de controladores, transmisores y registradores.El tipo de Bourdon utilizado se determina principalmente por el espacio disponible en la caja del instrumento. Como una regla general, el tubo Bourdon tipo C, es el menos sensible y el espiral es el ms sensible.Ventajas y desventajas: entre las ventajas y desventajas de los medidores de presin de tubo Bourdon se incluyen:Ventajas1. Bajo costo.2. Construccin simple.3. Cobertura de rangos bajos y altos.4. Una buena relacin precisin/costo.5. Muchos aos de experiencia en su aplicacin.Desventajas1. Prdida de precisin por debajo de 50 psig.2. Usualmente requieren amplificacin, la cual introduce histresis.Fuelles: Un fuelle puede definirse como un tubo flexible, el cual cambia su longitud de acuerdo a la presin aplicada. Este cambio de longitud es mucho mayor que el que se obtendra si se utilizara un tubo Bourdon de las mismas caractersticas. Este es un tubo metlico de pared delgada con paredes laterales con circunvoluciones que permiten la expansin y contraccin axial (ver figura).

Figura : fuelleEn muchas aplicaciones el fuelle se expande muy poco, pero la fuerza que produce es significativa. Esta tcnica se emplea frecuentemente en mecanismos de balance de fuerzas. Para producir una relacin lineal entre el desplazamiento del fuelle y la presin aplicada, es prctica comn colocar un resorte dentro del fuelle, tal como se muestra en la figura 5. La utilizacin de un fuelle con un resorte tiene varias ventajas: el procedimiento de calibracin se simplifica, ya que el ajuste se hace nicamente sobre el resorte. Un resorte construido a partir de un material estable presentar estabilidad por un largo tiempo, lo cual es esencial en cualquier componente. Cuando se requiere medir presin absoluta o diferencial se utilizan mecanismos especiales formados por dos fuelles, uno de los cuales acta como compensacin o referencia.

Figura 5. Manmetro de tiro del tipo de fuelleLos fuelles pueden ser metlicos o no metlicos. Los rangos tpicos, cuando se utilizan fuelles de bronce o de acero inoxidable, van desde 0-100 mm Hg. (abs.) hasta 0-60 in Hg. (abs.). La mayora de los fuelles estn hechos de tubos sin costura, las circunvoluciones o bien estn formadas hidrulicamente o mecnicamente laminadas. Los materiales utilizados son de latn, bronce fosforado, cobre al berilio, Monel, acero inoxidable, e Inconel. Aplicaciones: los fuelles se utilizan en aplicaciones de medicin de presin absoluta y medicin de presin diferencial. Adems, son parte importante en instrumentos tales como transmisores, controladores y registradores. Los elementos de fuelle estn bien adaptados para su uso en aplicaciones que requieren movimientos largos y fuerzas altamente desarrolladas. Son muy adecuadas para elementos de entrada analgica para registradores de amplio margen e indicadores y para elementos de retroalimentacin en los controladores neumticos.Diafragmas: El principio de operacin es similar al de los fuelles, pero su construccin es diferente. El diafragma es un disco flexible generalmente con corrugaciones concntricas, tal como se muestra en la figura 6.a. Los diafragmas pueden ser metlicos y no metlicos. Entre los materiales comnmente ms utilizados se encuentran: bronce, cobre-berilio, acero inoxidable, Monel, neopreno, siliconas y tefln.

Figura 6. DiafragmasAplicaciones: los diafragmas se emplean en medicin de bajas presiones y vaco; y en mediciones de presin absoluta y diferencial.Cpsula. El diafragma puede ser utilizado independientemente como un sensor de presin, pero tambin es componente bsico de un elemento conocido como cpsula, figura 6.b. Una cpsula est formada por dos diafragmas unidos alrededor de su periferia. Existen dos tipos de cpsulas: convexas en las cuales la orientacin de las corrugaciones de los dos diafragmas es opuesta; y tipo nido (nested) donde la orientacin de las corrugaciones coincide. La cpsula de diafragma es utilizada por los transmisores neumticos y electrnicos de diferencial de presin.Una cpsula est formada uniendo la periferia de dos diafragmas a travs de estaado o soldadura. Dos o ms cpsulas pueden unirse entre s (ver figura), y por lo tanto la deflexin total del conjunto es igual a la suma de las desviaciones de las cpsulas individuales. Tales elementos se utilizan en algunas galgas de presin absoluta. Estas configuraciones tambin se utilizan en aplicaciones de aeronaves.

Figura. El uso del elemento cpsula en un manmetro.

c. Instrumentos electrnicos - Sensores de fuerza o presin, transductores y transmisoresUna desventaja comn que presentan los instrumentos mecnicos, es el mtodo utilizado para transmitir el movimiento del elemento de medicin de presin a un indicador, tal como un puntero o una plumilla. Un eslabn mecnico, sufre de desgaste, tiene un alto grado de histresis, lo cual limita la precisin, velocidad de respuesta y repetibilidad de la medicin. Los avances en la tecnologa electrnica han dado la respuesta a este problema, sensando electrnicamente el movimiento del elemento de medicin de presin. El resultado de esto es: respuesta mucho ms rpida, menor desgaste e histresis, mejor compensacin de la temperatura, y una salida, la cul es una seal elctrica proporcional al movimiento del elemento de presin. Esta seal puede ser aplicada y condicionada luego para que rena los requerimientos del sistema de control. Hay una distincin clara entre el sensor de presin y un transductor de presin. El sensor proporciona la base de la medicin, el transductor convierte la energa de una forma a otra.En los instrumentos de presin completamente mecnicos descritos anteriormente, un resorte puede proporcionar la restauracin de fuerza y, por medio de vnculos y de la palanca, amplificar y transmitir el valor de sensor a un indicador, grabador, o controlador mecnicamente operado.En los transductores de presin neumtica, una contrapresin de aire acta sobre el diafragma, fuelle, bourdon, u otro elemento elstico para igualar la presin detectada (proceso). Un sistema de balance fuerza o posicin puede ser utilizado en los instrumentos neumticos. Los transductores de corriente a presin utilizados para la operacin del control neumtico diafragma En los transductores electrnicos u electro-pticos, los valores de sensor son convertidos en cantidades elctricas (corriente, resistencia, capacitancia, resistencia, y alteraciones en las salidas piezoelctricas y pticos).La invencin de la banda extensomtrica ( galga extensomtrica, strain gage) sirvi de impulso inicial para utilizar transductores elctricos. Hay numerosas ventajas para un gran nmero de aplicaciones que derivan de una cierta forma de transduccin electrnica. Estas unidades son muy pequeas, son fciles de integrar en las redes elctricas, y numerosas otras caractersticas electrnicas se pueden aadir a los transductores y transmisores, incluyendo verificaciones incorporadas de la calibracin, compensacin de temperatura, autodiagnstico, acondicionamiento de seales y otras caractersticas, que pueden ser derivadas a partir de la integracin de un microprocesador en la unidad sensor-transductor transmisor.La mayora de los instrumentos electromagnticos de presin, incorporan uno de los instrumentos primarios de medicin de presin discutidos previamente (instrumentos elsticos). El hecho de que la energa del proceso sea transformada en una seal elctrica, a partir de un movimiento mecnico, hace que a estos instrumentos se les d el nombre de Transductores.Entre estos instrumentos electromagnticos utilizados para medir presin se pueden mencionar: Strain Gages o Estensmetros. Transductores Resistivos. Transductores Capacitivos. Transductores Magnticos. Transductores Piezoelctricos. Strain Gage (tambin galgas o bandas estensomtricas): los transductores de presin tipo Strain Gage proporcionan un medio conveniente y confiable para medir presin de gases y lquidos. Son especialmente adecuados para ser utilizados en sistemas viscosos y corrosivos.Estos dispositivos se han utilizado ampliamente en la presin y clulas de peso de carga durante varios aos. Las galgas extensomtricas generalmente se montan directamente sobre el sensor de presin o elemento de suma de fuerza. Pueden ser soportadas directamente por diafragmas de deteccin o unidas a resortes en voladizo, que actan como una fuerza de restauracin. Con el fin de hacer uso del principio de funcionamiento bsico de la galga extensomtrica de resistencia adherida (es decir, el cambio en la resistencia proporcional a la deformacin), la entrada de la galga debe estar conectado a un circuito elctrico capaz de medir pequeos cambios en la resistencia. Debido a que los cambios de resistencia inducidos por la galga son pequeos (tpicamente 0,2 por ciento para valor de salida a plena escala en una galga activa), las galgas estn conectados a un Puente de Wheatstone. Un puente de Wheatstone es un circuito diseado para medir con precisin pequeos cambios. Se lo puede utilizar para determinar lecturas tanto dinmicas como estticas del extensmetro. El puente de Wheatstone tiene tambin ciertas propiedades de compensacin. La figura 7 muestra un diagrama bsico de un circuito de un puente de Wheatstone. Los cuatro elementos del puente pueden ser inductancias, capacitadores o resistencias. Para la medicin de presin, generalmente se utilizan resistencias. En cualquiera de estos casos, un pequeo cambio en una de las resistencias del puente produce un cambio instantneo del voltaje a travs de los extremos del puente. De este modo, el voltaje de salida, es una funcin de voltaje de entrada y de las resistencias del puente. Tomando como referencia la figura 7 se tiene:

Si las resistencias de los cuatro elementos del puente son afectadas por la temperatura en la misma forma, cualquier cambio tiende a balancearlas evitando errores inducidos por variaciones en la temperatura, los cuales, de otro modo, se detectaran como un cambio en la presin.Temas relacionados: Mediciones elctricas - electrotecnia : Puente de Arderson, puente de Hay, puente de Kelvin, puente de Maxwell, puente de Wien. Circuitos . Leyes de Kirchoff . Puente de Wheatstone Extensmetro, strain gage, banda o galga extensomtrica

Figura 7. Puente de WheatstoneSi la salida de un sensor de presin se transmite a una de las ramas del puente, el desbalance resultante en el voltaje debido a una variacin de presin, puede ser amplificado, escalado y calibrado en unidades de presin. Ciertos semiconductores, tales como la silicona, son piezoresistivos (cambios en la resistencia debido a esfuerzo). De este modo las resistencias de un circuito del puente de Wheatstone pueden ser implantadas, o "difundidas" en un circuito muy pequeo (chip). Si esto se conecta apropiadamente a un sensor de presin tipo diafragma, proporcionar una seal analgica repetitiva, proporcional a la presin aplicada al diafragma.Un Strain Gage (galga estensomtrica), es un mecanismo que utiliza el cambio de la resistencia elctrica de un alambre o elemento semiconductor de resistencia, sometido a esfuerzo, para medir presin. El Strain Gage cambia un movimiento mecnico en una seal elctrica cuando la resistencia vara por compresin o tensin. El cambio en la resistencia es una medida de la presin que produce la distorsin mecnica. La figura 8 ilustra el principio de operacin de un Strain Gage.La sensibilidad del extensmetro comnmente se llama el factor de galga cuando se refiere a un material extensmetro especfico. La relacin de Poisson para la mayora de los alambres es de aproximadamente 0,3. La sensibilidad del extensmetro de galga o factor de galga es de aproximadamente 1,6 cuando se considera slo el aspecto de cambio dimensional. Esto significa que un 0,1 por ciento de aumento en la longitud dentro del rango elstico debe producir un aumento de la resistencia de 0,16 por ciento.Cuando se llevan a cabo pruebas reales, un metal o aleacin exhibe valores diferentes de sensibilidad de la galga a diferentes temperaturas.

Figura 8. Principio de operacin de un sensor con Strain gage.Independientemente del tipo de Strain Gage utilizado, casi siempre se emplea un circuito elctrico con un puente de Wheatstone. La variacin en la resistencia cambia el voltaje de salida del puente. Esta seal frecuentemente requiere compensacin por cambios en la temperatura del proceso. El mtodo ms comn para realizar esta compensacin, es utilizando una resistencia de compensacin en el puente de Wheatstone.La galga extensomtrica ideal cambiara la resistencia de acuerdo con las deformaciones de la superficie a que est unida y no por otra razn. Sin embargo, la resistencia de la galga se ve afectada por otros factores, incluyendo la temperatura. Cualquier cambio de resistencia en la galga no causada por tensin se denomina tensin aparente. La tensin aparente puede ser causada por un cambio en el factor de galga debido a la temperatura (coeficiente trmico del factor de galga), por un cambio en la resistencia debido a la temperatura (coeficiente trmico de la resistencia), por la estabilidad del metal, e incluso por las propiedades del adhesivo que une los extensmetros a la superficie que se mide. Muchas de las mejoras en los materiales de extensmetro se han hecho en los ltimos aos, reduciendo as los efectos de la tensin aparente. Ventajas: Muy buena exactitud (0,1 %). No sensible a golpes y vibracin. Rango entre 10 y 10.000 psi. Excelente estabilidad. Buena repetibilidad. Efecto de temperatura despreciable si se compensa.Desventajas: Limitaciones por alta temperatura. Requiere compensacin por temperatura. Requiere fuente de poder externa. Requiere conversin de seal.Sistemas de galga extensomtrica adheridaAunque aumentar el factor de galga vuelva a la misma ms sensible a la tensin, tambin se aumentan los efectos indeseables de temperatura. As el tamao pequeo se prefiere de modo que la galga puede ser colocada cerca de la zona de tensin elevada. Una alta resistencia permite mayor tensin excitacin de entrada y por lo tanto una salida en milivoltios ms grande con un menor consumo de energa.Las galgas extensomtricas adheridas se realizan con conductores de aleacin de metal especial con resistividades altas, altos factores de galga y bajos coeficientes de temperatura. Agentes adhesivos para bandas extensomtricas. La importancia del adhesivo que une las bandas (galgas) extensomtricas a la estructura metlica bajo prueba o como parte de un transductor no se puede subestimar. Un adhesivo ideal debe ser adecuado para su entorno previsto, transmitir toda la tensin de la superficie a la galga, tener alta resistencia mecnica, aislamiento elctrico elevado, aislamiento trmico bajo, y ser muy delgada. Adems, no deben ser afectados por los cambios de temperatura. El adhesivo debe proporcionar una unin fuerte mientras asla elctricamente la galga de la superficie a la que est unida. El aislamiento elctrico es necesario porque la mayora de las estructuras a las que se adhieren las galgas haran cortocircuitar elctricamente los elementos si no existiera una separacin galvnica. En una tpica instalacin de galga extensomtrica, el aislamiento elctrico entre la galga y la superficie de la muestra debe ser de al menos 1000 M a temperatura ambiente y 50 voltios DC. El aislamiento elctrico (corriente de fuga) se convierte en un problema con agentes adhesivos a altas temperaturas y en ambientes de alta humedad. A altas temperaturas, incluso los materiales cermicos comienzan a exhibir una prdida del aislamiento elctrico. Esta es una de las ms severas limitaciones en el rendimiento de la galga extensomtrica en temperaturas superiores a 1200 F (649 C).Debido a la amplia variacin en las propiedades obtenibles con diferentes resinas y combinaciones de endurecedor, las resinas epoxi son una clase importante de adhesivos de extensmetros. Mtodos alternativos de fijacin, tales como la tcnica de pulverizacin a la llama, tambin se han utilizado. Transductores resistivos: Estos transductores operan bajo el principio de que un cambio en la presin produce un cambio en la resistencia del elemento sensor. Estn constituidos por un elemento elstico (tubo Bourdon, fuelle, diafragma), el cual hace variar la resistencia de un potencimetro en funcin de la presin. La figura 9 muestra dos tipos de transductores resistivos. En uno de ellos el elemento sensor lo constituye un fuelle y el otro un diafragma. La figura 10 muestra un tipo de transductor resistivo en el cual no se utiliza un elemento elstico como sensor.

Figura 9 - Transductores resistivos de fuelle y diafragma

Figura 10. Transductor resistivo de temperaturaEn este caso, la variacin en la resistencia se produce por una variacin en la temperatura. El principio de operacin es el siguiente: se hace pasar corriente elctrica a travs de un filamento colocado en una cmara presurizada; por efecto de esta corriente el filamento se calienta. La temperatura del filamento y por consiguiente su resistividad varan inversamente con la presin del gas. El elemento sensor est constituido por dos bulbos o cmaras presurizadas: una de medicin, y otra de referencia. El elemento resistivo est constituido por un filamento de platino o tungsteno. Este tipo de medidor se puede utilizar para medir densidad, presin o velocidad de gases. Su construccin es simple y no requiere de amplificacin. Transductores Capacitivos: La figura 11 muestra un sensor de presin que utiliza capacitancias en vez de resistencias como elementos del puente de Wheatstone. En este caso, el elemento sensor es un diafragma que est en contacto con la presin del proceso. Cuando la presin aplicada produce una deflexin en el diafragma, la capacitancia del elemento cambia en proporcin a la presin aplicada; ya que la capacitancia es funcin del material dielctrico entre las placas del capacitor y de las distancias entre las placas. Este cambio en la capacitancia produce un cambio en la seal de voltaje d.c. del circuito del puente. Esta variacin de voltaje se convierte en una seal estndar de 4-20 mA.Estos transductores pueden censar presiones bajas, se usan frecuentemente en transmisores de presin manomtrica as como diferencial y en aplicaciones de medicin de presin, flujo y nivel.Ventajas: Muy buenos para medir presiones bajas. Construccin rgida. No es afectado por vibracin.Desventajas: Sensibles a la temperatura. Se requiere electrnica adicional para producir una seal de salida estndar. Requiere fuente de poder externa.

Figura 11. Transductor de presin capacitivo

Figura 12. Transductor de inductancia- Transductores magnticos: Existen dos tipos, los de inductancia variable y los de reluctancia variable.- Transductores de Inductancia Variable: Utilizan una bobina con un ncleo magntico mvil. La inductancia en la bobina vara proporcionalmente segn la posicin que ocupe el ncleo dentro de la bobina. De este modo, variaciones de presin sobre el sensor producen cambios en la posicin del ncleo, lo que a la vez origina un cambio en la inductancia (figura 12). Este tipo de sensor ha venido siendo utilizado para detectar pequeos desplazamientos de cpsulas y otros instrumentos.- Transductores de Reluctancia Variable: En este caso existe un electroimn que crea un campo magntico dentro del cual se mueve una armadura de material magntico. El circuito magntico se alimenta de una fuerza magnetomotriz constante, de este modo, al variar la presin en el sensor, vara la posicin de la armadura producindose un cambio en la reluctancia y por lo tanto el flujo magntico. Los dos tipos de transductores magnticos utilizan como sensor un elemento elstico y circuitos elctricos constituidos por un puente de Wheatstone.Aplicaciones: estos transductores se utilizan en algunos instrumentos para medicin de presin absoluta, manomtrica y diferencial, y en aplicaciones de medicin, flujo y nivel. Tambin se utilizan en ciertos convertidores presin/voltaje.

Figura 13. Transductor de reluctancia variableTransductores piezoelctricos: La piezoelectricidad se define como la produccin de un potencial elctrico debido a la presin sobre ciertas sustancias cristalinas como el cuarzo, titanato de bario, etc. En un sensor piezoelctrico la presin aplicada sobre varios cristales producen una deformacin elstica. Un semiconductor piezoresistivo se puede describir como un elemento que produce un cambio en la resistencia, causado por un esfuerzo aplicado sobre un diafragma. De esta manera, resistencias de estado slido se pueden utilizar como instrumentos de presin, del mismo modo que los alambres de un Strain Gage, pero con varias ventajas. La alta sensibilidad o factor de medida es aproximadamente 100 veces mayor que en los Strain Gages de alambre. Las piezoresistencias estn difundidas en un medio homogneo de silicona cristalino. De esta manera, las resistencias estn integradas al elemento sensor. La figura 14 muestra un corte transversal del elemento sensor con los cables soldados a los contactos metlicos. El elemento sensor est formado por cuatro piezoresistencias iguales difundidas o ensambladas en la superficie del diafragma delgado de silicona. Contactos de oro en la superficie del diafragma de silicona proveen la conexin a las piezoresistencias. Un cambio en la presin hace que el diafragma se deforme, induciendo un esfuerzo en l y tambin en la resistencia. El valor de la resistencia cambiar dependiendo de la cantidad de presin aplicada al diafragma.

Figura 14. Transductor piezoelctrico