3.4.5.- GALGAS ESTENSIOMETRICAS.- También conocidas como strain gage. Se basan en la variación de longitud y de diámetro, y por tanto de resistencia eléctrica, que tiene lugar cuando un hilo de resistencia se encuentra sometido a una tensión mecánica por la acción de una presión.Existen los siguientes tipos de galgas estensiometricas:a) Galgas metálicas: - Galgas de filamento (wire strain gage), el elemento sensible es un hilo conductor metálico (aleaciones de níquel con cobre o cromo) con una sección circular de 0,025mm.] - Galga de trama pelicular (foil strain gage), el elemento sensible es una película de metal de pocas micras de espesor, recortada mediante ataque fotoquímico.b) Galgas semiconductoras, el elemento sensible es una banda de cristal semiconductor con un cierto grado de contaminación. La resistividad del cristal depende de la concentración específica de portadores. Su sensibilidad es de 50 a 60 veces mayor que la de una galga metálica. En la siguiente figura se aprecian este tipo de galgas:

CONSTITUCIÓN DE UNA GALGA DE TRAMA PELICULAR

conductor Bornes de conexión

SoporteCONSTITUCIÓN DE UNA GALGA DE FILAMENTO

Cristal conductor Conductores y bornes deconexión

SoporteCONSTITUCIÓN DE UNA GALGA SEMICONDUCTORA

Existen dos formas de galgas estensiometricas:- Galgas cementadas, formadas por varios bucles de hilo muy fino que están pegados a una hoja base de cerámica, papel o plástico.- Galgas sin cementar, en las que los hilos de resistencia descansan entre un armazón fijo y otro móvil bajo una ligera tensión inicial. Los mismos se aprecian en la siguiente figura:

En ambos tipos de galgas, la aplicación de presión estira o comprime los hilos según sea la disposición que el fabricante haya adoptado, modificando la resistencia de los mismos de acuerdo con la siguiente ecuación:

R = Variación de resistencia de la galga. R = Resistencia de la galga.GF = Factor de galga. l = Variación de longitud de la galga.l = Longitud de la galga.

Despejando:

= Deformación

La variación de resistencia de las galgas, forma parte de un puente de Wheatstone, como muestra la siguiente figura:

Puente de Wheatstone para galga estensiométrica

ll

GF=RR

/RR

=/ll

/RR=GF

Si la tensión aplicada es cero, la resistencia de la galga tiene un valor determinado. Si se aplica al circuito una tensión nominal, circula una corriente por la resistencia creando una caída de tensión y el puente se equilibra para estas condiciones. Cualquier variación de presión que mueva el diafragma del transductor cambia la resistencia de la galga y desequilibra el puente.El intervalo de medida de estos transductores varia de 0-0,6 a 0-10000 Bares y su precisión es del orden de + 0,5%.Una innovación de la galga estensométrica la constituyen los transductores de presión de silicio difundido. Consisten en un elemento de silicio situado dentro de una cámara conteniendo silicona que esta en contacto con el proceso a través de un diafragma flexible. El sensor esta fabricado a partir de un monocristal de silicio en cuyo seno se difunde Boro para formar varios puentes de Wheatstone constituyendo una galga estensométrica autocontenida. El espesor del sensor determina el intervalo de medida del instrumento.El sensor con su puente Wheatstone incorporado forma parte del siguiente circuito:

Transductor de presión de silicio difundido

El intervalo de medida de los transductores de silicio difundido varia de 0-2 a 0-600 Bares, con una precisión del orden de + 2%.

3.4.5.1.- MÉTODO DE MEDICIÓN.- Debido a su sensitividad el puente de Wheatstone es el circuito mas utilizado para la medición de presiones, esfuerzos y fuerzas. El circuito es el siguiente:

Donde: Vi = Tensión de alimentación = V IN

Vo = Tensión de salida = V OUT

Rg = Resistencia de la galga.R1, R2 y R3 son resistencias del puente

La ecuación de la tensión de salida es:

Si: R1/R2 = Rg/R3 , la tensión de salida Vo = 0, por tanto , el puente se encuentra balanceado.Un circuito que nos permite balancear el puente es:

La variación de la resistencia esta dada por la siguiente ecuación:

Cuando la galga es sometida a una presión, la resistencia de la galga varia:

Rg +Rg

Definiendo:

De la ecuación 1 y considerando R 3 = R g ,se obtiene:

Reemplazando en la Ec. 3:

Combinando esta última ecuación y la ecuación 2, se obtiene:

El siguiente circuito es un puente de Wheatstone multicanal:

(1)] R+R

R-R+R

R[V=V21

2

g3

3io

(2) R/R=/ll

R/R=GF gggg

(3) )VV(-)

VV(=V ndeformacioNo

i

ondeformacio

i

or

]R+R

R-21

[=)VV(y ]

R+R

R-R+R2

R[=)VV(

21

2ndeformacioNo

i

o

21

2

gg

gndeformacio

i

o

V2+1V4-

=R

R

r

r

g

g

)V2+GF(1V4-

=r

r

En muchas aplicaciones se utiliza el siguiente circuito:

Los siguientes son circuitos de puente de Wheatstones con sus respectivas ecuaciones, los cuales son utilizados como transductores de medida:

Ejemplo: Una balanza digital comercial, utiliza galgas estensiométricas para la medición de peso, Las galgas se encuentran conectadas en la configuración half bridge. Si el voltaje de salida cuando no se tiene ningún peso es de 80mV y cuando se aplica un peso de 3Kgf es de 110 mV. Hallar: a) La variación relativa Vr. b) la deformación ε c) El valor de las resistencias de las galgas cuando se encuentran sometidas al peso de 3Kgf. Los siguientes catálogos muestran las características técnicas de las galgas estensiométricas:

3.5.- TRANSDUCTORES PIEZOELECTRICOS.- Los elementos piezoeléctricos son materiales cristalinos que, al deformarse físicamente por la acción de una presión, generan una señal eléctrica. Dos materiales típicos en los transductores piezoeléctricos son el cuarzo y el titanato de Bario, capaces de soportar temperaturas del orden de 150ºC en servicio continuo y de 230ºC en servicio intermitente.

Son elementos ligeros de pequeño tamaño y de construcción robusta. Su señal de respuesta a una variación de presión es lineal y son adecuados para medidas dinámicas, al ser capaces de respuestas frecuenciales de hasta un millón de ciclos por segundo. Tienen la desventaja de ser sensibles a los cambios en la temperatura, su señal de salida es relativamente débil por lo que precisan de amplificadores y acondicionadores de señal que pueden introducir errores en la medición. Ver lassiguientes figuras:

Limitaciones y ventajas de los materiales piezoeléctricos.

En general las aplicaciones del efecto piezoeléctrico tienen las siguientes limitaciones:

- Respuesta en frecuencia limitada.

- Al ser cargado el condensador (material piezoeléctrico) por efecto de una fuerza constante aplicada al material, la carga adquirida inicialmente será drenada tarde que temprano a tierra, por esto, los sensores piezoeléctricos no responden a excitaciones en corriente continua.

- Los materiales piezoeléctricos presentan un pico de frecuencia muy alto, por lo tanto, esto obliga a trabajar por debajo de la frecuencia de resonancia del sensor.

- Existe una gran dependencia entre la banda pasante del sensor y la sensibilidad de éste.

- La impedancia de salida del sensor es muy alta. Capacitancia muy pequeña con alta resistencia de fugas. Presentando problemas para su acondicionamiento.

Ventajas de los sensores piezoeléctricos.

- Alta sensibilidad

- Bajo costo

- Alta rigidez mecánica

La siguiente tabla muestra las características de los elementos electromecánicos descritos:

3.6.- ELEMENTOS ELECTRÓNICOS DE VACÍO.- Los transductores electrónicos de vacío se emplean para la medida de alto vacío, son muy sensibles y se clasifican en los siguientes tipos:a) Mecánicos - Fuelle y diafragma.b) Medidor McLeodc) Térmicos

- Termopar - Pirani - Bimetald) Ionización - Filamento Caliente - Cátodo frió - RadiaciónLa siguiente tabla muestra las características de los elementos electrónicos de vacío:

3.7.- CONVERSORES DE MEDIDA.- Los conversores o transmisores de medida son los instrumentos encargados de convertir la señal de presión en señal eléctrica de corriente de 4 a 20 mA. o de tensión de 0 a 10 V.c.c., tal como se aprecia en la siguiente figura:

Generalmente esta conformado por dispositivos electrónicos discretos como son los amplificadores operacionales, con los cuales se amplifican pequeñas señales eléctricas.Se encuentran bajo la siguiente configuración:

Indicador -Analógico-Digital

RegistradoresReguladores TELEPERM Siemens

p 4 -20mA PLCsComputador (SCADA-

HMI)Otros.

Generalmente el conjunto sensor y conversor de medida se denomina transductor.

3.8.- CONFIGURACIONES DEL CABLEADO.- Los cableados más comunes que se tienen en la aplicación de los transductores de presión y en general de la mayoría de los transductores son:

1.- Configuración de cableado para salida de milivoltios del transductor:

TYPICAL WIRING CONFIGURATION FOR MILIVOLT OUTPUT TRANSDUCER

2.- Configuración del cableado para salida de voltaje del transductor 3 hilos:

TYPICAL WIRING CONFIGURATION FOR VOLTAGE OUTPUT TRANSDUCER(EXCITATION AN SIGNAL ARE COMMON)

3.- Configuración de cableado para salida de corriente del transductor, conexión 4 hilos

TYPICAL WIRING CONFIGURATION FOR CURRENT OUTPUT TRANSDUCER

4.- Configuración de cableado para salida de corriente del transductor, conexión a tres hilos:

TYPICAL WIRING CONFIGURATION FOR CURRENT OUTPUT TRANSDUCER

5.- Cableado de la señal de 4 a 20mA del transductor a múltiples indicadores, registradores, computadores, etc; el siguiente diagrama muestra este cableado:

POWER SUPPLY

TRANSDUCTOR PRESION

TEMPERATURANIVEL

INSTRUMENTO 1

24Vc.c.

4-20mA

4 -20mA

+

-

+ - + -

4 -20mA

INSTRUMENTO 2 INSTRUMENTO 3

4 -20mA

-+-+

MULTI-INSTRUMENT 4-20mA CURRENT LOOP(PANEL METERS, CHART, RECORDER, COMPUTER, ETC)

6.- Cableado de la señal voltaje del transductor a múltiples indicadores, registradores, computadores, etc, en paralelo; el siguiente diagrama muestra este cableado:

MULTI-INSTRUMENTS WIRED IN PARALLEL TO A VOTAGE OUTOPUT TRANSDUCER

7.- Cableado de múltiples transductores a un indicador, registrador, computador, etc; ver el siguiente diagrama:

8.- Usando una señal de miliamperios con un instrumento de entrada de voltaje: Con la ayuda del siguiente circuito se puede convertir la señal de miliamperios proveniente del transductor en señal eléctrica de voltaje:

En este circuito se ha añadido una resistencia al ingreso del indicador, registrador, etc. El cálculo de la resistencia se obtiene aplicando la ley de Ohm.Por ejemplo: se tiene un indicador que trabaja con señales de 0 a 10 V. y se tiene un transductor que proporciona señal de 4 a 20mA. Qué valor de resistencia se debe añadir al indicador?

De la ley de Ohm:

RIV

Despejando: I

VR

Para 20mA, se tiene que obtener 10 V, entonces:

R = 10/0,02 = 500 ohm

Para 4mA, se obtiene: V = 500*0,004 = 2 V.

Este valor puede ser ajustado a cero, con el offset del instrumento.

3.9.- PRESOSTATOS.- También conocidos como pressure switches, son controladores de presión, que permiten realizar el control ON-OFF en los procesos industriales.Al igual que los manómetros, en los presostatos el componente mas importante para la medición y control de la presión, es el elemento sensor de medición. Este elemento sensor en combinación con un resorte opuesto, determinan el rango de medición de presión, la sensitividad y exactitud. Los elementos sensores utilizados comúnmente son: el diafragma, pistón y fuelle, tal como se aprecia en las siguientes figuras:

a) DIAFRAGMA

b) PISTON

c) FUELLE

Una vez que la presión ha sido sensada y obtenido el movimiento de medición, este movimiento debe ser transferido a un elemento actuador como es el micro interruptor ON-OFF (micro switch ON-OFF), esto se realiza a través de una palanca que conecta el fuelle, diafragma o pistón con el émbolo del interruptor, el émbolo mueve el interruptor para actuar o desactuar.El movimiento del sensor actúa, cambiando la posición de los contactos eléctricos de un interruptor.

El interruptor por lo general esta constituido por un micro interruptor (micro switch) conmutadortipos: SPST, SPDT, DPST o DPDT, por defecto los presostatos suelen tener incorporados un micro switch SPDT cuyo circuito es el siguiente:

NC

C NO

También:

Los acabados industriales se observan en las siguientes figuras:

Los presostatos tienen un rango de presión ajustable, de acuerdo con el valor de presión de ajuste del sistema a controlar.Con los presostatos, se pueden ajustar valores mínimos y máximos de presión, existiendo entre ambos valores, una zona muerta (deadband) o de histéresis, el cual es variable de acuerdo con la aplicación y tipo de presostato. En los valores ajustados, deberán actuar los interruptores de ajuste mínimo y máximo y de esta manera controlar dispositivos eléctricos.Para la selección de un presostato se necesita conocer:

- La presión de trabajo del proceso.- Presiones mínimas y máximas de ajuste.- Rosca de conexión (NPT) y tipo de montaje.- Tipo de fluido de medición (líquido o gas).- Exactitud de medición.

Una de las aplicaciones más comunes es el control de presión de los compresores de aire para mantener un valor predeterminado de presión en un proceso o sistema. Otras aplicaciones son las de controlar y proteger contra valores no deseados de presión, un determinado sistema o proceso.Los siguientes catálogos muestran las características técnicas de presostatos analógicos y digitales:

3.10.- TRANSMISORES DE PRESIÓN.- Los transmisores de presión son instrumentos que convierten la presión de líquidos, gases y vapor presentes en los procesos industriales, en señal eléctrica de 4 a 20 mA normalizado o de 0 a 10V, los transmisores de ultima generación se pueden conectar a buses de campo como el RS - 485. Los transmisores de presión pueden se de dos tipos:- Transmisores de presión ciegos, los cuales convierten la presión en señal eléctrica normalizada de 4 a 20 mA o de 0 a 10Vcc.- Transmisores de presión inteligentes (I/A), que tienen incorporado en su circuito un microprocesador o microcontrolador, además estos transmisores indican la presión localmente ya

sea en forma digital o analógica, pero a la vez disponen de la señal eléctrica normalizada de 4 a 20 mA o de la conexión de bus de campo (RS – 485).

La señal de 4 a 20mA o de 0 a 10 Vcc, puede introducirse a los indicadores, registradores, controladores, reguladores, PLC’s, SCADA y computadoras con tarjetas de adquisición de datos.El sensor primario que utilizan los transmisores de presión pueden ser del tipo electromecánico (bourdon, diafragma, cápsula) o electrónico (galgas estensiométricas y sensores de siliciopiezoeléctricos), tal como se aprecia en las siguientes figuras y catálogos:

Cerabar S PMC71Cerabar S with Ceraphire® ceramic sensor. Overload-resistant and function-monitored. Communication via HART, PROFIBUS PA or FOUNDATION Fieldbus.

Areas of application

The Cerabar S pressure transmitter is used for the following measuring tasks:Absolute pressure and gauge pressure in gases, steams or liquids in all areas of process engineering and process measurement technology Level, volume or mass measurement in liquids

High process temperature up to 150°C (302°F)

International usage thanks to wide range of approvals

Benefits at a glance

High purity ceramic sensor (99.9% Al2O3)

Very good reproducibility and long-term stability

High reference accuracy: up to 0.075%, as PLATINUM version: 0.05% Turn down 100:1, higher on request

Used for process pressure monitoring up to SIL 2,certified according to IEC 61508 by TÜV SÜD Meets PED (Pressure Equipment Directive)

HistoROM®/M-DAT memory module

Function-monitored from the measuring cell to the electronics

Continuous modularity for differential pressure and pressure (Deltabar S - Cerabar S), e.g.- replaceable display- universal electronics Quick commissioning thanks to quick setup menu

Easy and safe menu-guided operation on-site, via 4...20 mA with HART, PROFIBUS PA or FOUNDATION Fieldbus Extensive diagnostic functions

Technical data

Reference accuracy: up to 0.075% of the set span, PLATINUM version: 0.05% of the set span

Measuring range: from -0.1/0...100 mbar to -1/0...40 bar

Process temperature: -20...+125°C/+150°C (-4...+257°F/+302°F)

Ambient temperature: -40...+85°C (-40...+185°F)

Certificates: ATEX, CSA, FM, NEPSI, IECEx

Options: Inspection certificate 3.1.B

Specialities: Metal-free measurement with PVDF connection

Ejemplo.- Elegir un presostato que controle la presión de un tanque de aire , para que no sobrepase los 147 psi,. La compresión en el tanque se realiza mediante un compresor que tiene un motor trifásico de inducción de 4Hp/ 50Hz/ 220 V. Asimismo, realizar los circuitos de fuerza y mando.

La siguiente tabla muestra los rangos de aplicación de los elementos mecánicos elásticos en la medición de presión

ELEMENTOS MECANICOS

El siguiente catálogo muestra las características técnicas de un calibrador de manómetros: