Cómo funcionan los sensores y interruptores de presión digitales

Los interruptores y sensores de presión digitales son fundamentales para monitorear y controlar la presión en diversas aplicaciones, desde sistemas de agua hasta controles neumáticos. Al convertir la presión aplicada en señales eléctricas, estos dispositivos ofrecen mediciones precisas, monitoreo en tiempo real e integración perfecta con sistemas de control digitales. Este artículo explora el funcionamiento de los interruptores y sensores de presión digitales, sus componentes, principios de operación y las ventajas que aportan a los procesos que demandan precisión y fiabilidad.

Índice

• Qué son los sensores e interruptores de presión digitales
• Cómo funcionan los sensores de presión electrónicos
• Tipos de sensores de presión
• Elegir la tecnología de sensor adecuada
• Cómo funcionan los interruptores de presión

Qué son los sensores e interruptores de presión digitales

• Un sensor de presión, o transductor, es un dispositivo que mide la presión, típicamente de gases o líquidos, y convierte el parámetro físico de la presión en una señal eléctrica.
• Un interruptor de presión es un tipo específico de sensor de presión que incluye un componente adicional de interruptor mecánico o electrónico. Un interruptor de presión hace o rompe un contacto eléctrico cuando se alcanza un cierto nivel de presión establecido.

Los interruptores de presión digitales son transmisores de presión electrónicos con capacidades añadidas. No solo miden la presión, sino que también permiten otras características como una pantalla digital y el ajuste electrónico de los puntos de conmutación. Esta doble funcionalidad significa que se pueden ejecutar tareas de control simples sin la necesidad de dispositivos separados. Los usuarios pueden establecer y modificar los puntos de conmutación con facilidad, ya sea a través de una pantalla digital o de forma remota a través de un enlace I/O, mejorando la adaptabilidad del sistema a diferentes condiciones de operación.

Las siguientes secciones discuten los diversos mecanismos a través de los cuales el sensor convierte la presión de entrada en una salida eléctrica.

Cómo funcionan los sensores de presión electrónicos

Los sensores de presión electrónicos detectan cambios de presión y los convierten en una señal eléctrica proporcional. Existen cuatro principios principales por los cuales operan estos sensores:

Medición de presión resistiva

La medición de presión resistiva cuantifica la presión detectando cambios en la resistencia eléctrica causados por la deformación de un material. La resistencia de un conductor se ve afectada por sus dimensiones físicas, específicamente, su longitud y área de sección transversal. La resistencia eléctrica de un conductor se determina por la fórmula:

R=ρ*L/A

• R: Resistencia eléctrica
• ρ: Resistividad
• L: Longitud
• A: Área de sección transversal

Cuando se aplica presión a un conductor, puede causar que el material se estire o comprima. Estirar el conductor aumenta su longitud (L) y disminuye su área de sección transversal (A), lo que a su vez aumenta su resistencia. Por el contrario, la compresión resulta en una longitud más corta y un área de sección transversal más grande, lo que lleva a una disminución en la resistencia.

Los sensores de presión que utilizan este principio generalmente tienen un diafragma en el que se colocan cuatro galgas extensiométricas metálicas. Están distribuidas sobre las áreas de elongación y compresión. La resistencia cambia según la deflexión (compresión o elongación) del diafragma. Cuando el diafragma se dobla, las galgas extensiométricas también cambian de forma:

• Si el diafragma se estira, las galgas extensiométricas en esas partes obtienen más resistencia
• Si el diafragma se empuja hacia adentro, las galgas extensiométricas en esas partes obtienen menos resistencia.

Estos cambios en la resistencia están vinculados a cuánta presión está empujando sobre el diafragma. También se puede utilizar un puente de Wheatstone para mediciones más precisas.

Medición de presión piezorresistiva

Un material piezorresistivo es un tipo de material que cambia su resistencia eléctrica cuando se le aplica estrés mecánico. Esta propiedad se conoce como el efecto piezorresistivo. Este efecto es particularmente pronunciado en semiconductores como el silicio, mientras que es relativamente menor en metales conductores.

En un sensor de presión piezorresistivo, el diafragma que detecta la presión está construido de un material semiconductor. Las galgas extensiométricas hechas del mismo material semiconductor están incrustadas directamente en este diafragma, creando una unidad de detección cohesiva. Estas galgas extensiométricas suelen estar dispuestas en un conjunto de cuatro y se conectan para formar un puente de Wheatstone, que se utiliza para medir los cambios mínimos en la resistencia que ocurren a medida que el diafragma se deforma bajo presión.

Ventaja

Los elementos piezorresistivos pueden medir con precisión rangos de presión muy bajos, lo que los hace ideales para aplicaciones donde la precisión es crucial.

Limitaciones

• Problemas de compatibilidad: Los materiales semiconductores no son universalmente compatibles con todos los tipos de fluidos con los que entran en contacto. Para evitar daños al sensor, los elementos semiconductores están protegidos de los medios que se miden aplicando la presión a una membrana metálica resistente a los medios. La presión se transmite entonces al diafragma semiconductor a través de un medio de transmisión estable, como el aceite, lo que asegura que el material semiconductor sensible solo entre en contacto con una sustancia que pueda soportar.
• Sensibilidad a la temperatura: Los elementos piezorresistivos son altamente sensibles a las fluctuaciones de temperatura, lo que puede afectar su rendimiento y precisión.
• Consistencia en la fabricación: Las variaciones en el proceso de fabricación pueden llevar a inconsistencias en el comportamiento del sensor.

Para abordar estos desafíos, cada sensor de presión piezorresistivo debe someterse a una compensación de temperatura individual para garantizar una operación confiable y consistente.

Medición de presión capacitiva

La medición de presión capacitiva determina la presión de un medio midiendo el cambio en la capacitancia causado por la deformación de un diafragma cuando se aplica presión. Un capacitor es un componente eléctrico que almacena energía en un campo eléctrico entre dos placas conductoras separadas por un material aislante (Figura 3). La capacitancia de un capacitor de doble placa se calcula usando la siguiente relación:

C=ε*A/d

• C: Capacitancia del capacitor de doble placa
• ε: Permisividad
• d: Separación de las placas
• A: Área de sección transversal

En un sensor de presión capacitivo, las dos placas del capacitor están configuradas de tal manera que una placa es un diafragma móvil que responde a cambios de presión, mientras que la otra placa permanece estacionaria. Cuando se aplica presión, el diafragma se desvía, alterando la distancia (d) entre las dos placas. Dado que el área de las placas (A) y la permisividad (ε) del material aislante son constantes, cualquier cambio en la separación de las placas afecta directamente la capacitancia.

Ventajas

• La relación directa entre la separación de las placas y la capacitancia significa que los sensores de presión capacitivos son altamente sensibles a los cambios de presión. Son particularmente adecuados para medir rangos de presión muy bajos, como aquellos en el rango de milibares de un solo dígito.
• El diseño de estos sensores proporciona un alto nivel de protección contra sobrecargas. El diafragma móvil puede flexionarse completamente hasta la placa estacionaria sin causar daño, lo que ayuda a prevenir fallas del sensor en situaciones donde la presión excede el rango de medición previsto.
• Los sensores de presión capacitivos se utilizan comúnmente en aplicaciones donde se requieren mediciones precisas de baja presión, como en el monitoreo ambiental, dispositivos médicos y sistemas HVAC. Su alta sensibilidad y protección contra sobrecargas los hacen opciones confiables y duraderas para estas y otras tareas de medición sensibles.

Limitaciones

• Los sensores capacitivos pueden ser sensibles a vibraciones y pueden requerir protección contra entornos hostiles.
• Los sensores capacitivos pueden verse afectados por cambios en la constante dieléctrica del medio entre las placas, lo cual puede ser influenciado por factores como la humedad y la temperatura.

Medición de presión piezoeléctrica

La medición de presión piezoeléctrica se refiere al uso de materiales piezoeléctricos para medir cambios de presión. Los materiales piezoeléctricos tienen la propiedad única de generar una carga eléctrica en respuesta a estrés mecánico aplicado. Este fenómeno se conoce como el efecto piezoeléctrico.

Ciertos materiales cristalinos, como el cuarzo, la turmalina y ciertas cerámicas, exhiben propiedades piezoeléctricas. La estructura del cristal es tal que cuando se deforma por la fuerza aplicada, los elementos de la rejilla dentro del cristal, que están cargados eléctricamente, se desplazan. Este desplazamiento conduce a la generación de un momento dipolar eléctrico dentro del cristal, lo que a su vez hace que las superficies opuestas del cristal adquieran cargas positivas y negativas.

Esto causa una diferencia de voltaje a través del cristal que se puede medir. Este voltaje es directamente proporcional al estrés mecánico aplicado, permitiendo que la presión se determine a partir de la salida de voltaje del sensor.

Ventajas

• No se requiere energía externa: Los materiales piezoeléctricos generan su propia carga eléctrica en respuesta a la presión, por lo que no necesitan una fuente de energía externa.
• Amplio rango dinámico: Los sensores piezoeléctricos pueden medir un amplio rango de presiones, desde muy bajas hasta muy altas.

Limitaciones

Los sensores piezoeléctricos no son adecuados para medir presión estática porque la carga generada puede disiparse con el tiempo. Además, la carga eléctrica producida por el efecto piezoeléctrico puede escaparse, especialmente a altas temperaturas, lo que puede afectar la precisión.

Debido a esta limitación, los sensores de presión piezoeléctricos se utilizan típicamente en aplicaciones donde la presión cambia rápidamente, como en la detección de ondas sonoras, el monitoreo de procesos de combustión en motores o la medición de presiones de explosión.

Tipos de sensores de presión

Los principios de medición de presión discutidos anteriormente están disponibles en tres tipos principales de sensores: sensores de película gruesa de cerámica, sensores de película delgada de metal y sensores de presión piezorresistivos.

Sensor de película delgada de metal

Los sensores de película delgada de metal están construidos con tanto el diafragma como la carcasa principal hechos de acero inoxidable, lo que proporciona una excelente durabilidad y resistencia a medios corrosivos. Las galgas extensiométricas, junto con capas de aislamiento, caminos conductores y resistencias de compensación, se aplican al lado del diafragma que no entra en contacto con el medio que se mide. Esto asegura que los componentes sensibles estén protegidos del ambiente.

Características

• Los sensores de película delgada de metal se fabrican típicamente en condiciones de sala limpia, y a veces incluso bajo vacío, para asegurar la más alta calidad y prevenir la contaminación.
• Los sensores de película delgada de metal son muy estables y resistentes a choques y vibraciones, lo que los hace adecuados para aplicaciones que involucran cargas dinámicas.
• Pueden ser soldados directamente a una conexión del sistema, eliminando la necesidad de materiales de sellado separados. Esto puede simplificar la instalación y mejorar la integridad de la conexión del sensor.
• La ductilidad del acero permite un cierto grado de deformación sin falla; estos sensores generalmente tienen un rango de sobrepresión más bajo (presión que excede el rango de presión operativa diseñado). Sin embargo, pueden soportar presiones de ruptura muy altas, asegurando la seguridad en aplicaciones donde pueden ocurrir picos de presión repentinos.

Sensor de película gruesa de cerámica

Los sensores de película gruesa de cerámica tienen el cuerpo principal y el diafragma hechos de cerámica, típicamente óxido de aluminio (Al2O3), que se elige por su procesabilidad y estabilidad. Las galgas extensiométricas se aplican al lado del diafragma cerámico que no entra en contacto con el medio que se mide. Estas galgas están hechas de una pasta especial que se aplica en una capa gruesa, de ahí el término "película gruesa". La pasta se quema luego en el diafragma a altas temperaturas y posteriormente se cubre con un revestimiento protector para asegurar la durabilidad.

• La fabricación de sensores de película gruesa de cerámica se lleva a cabo en condiciones de sala limpia para prevenir la contaminación. Los materiales cerámicos son altamente resistentes a la corrosión, lo que hace que estos sensores sean adecuados para su uso en entornos químicos agresivos.
• El sello adicional requerido para el ensamblaje del sensor puede no ser resistente a todos los medios.
• La cerámica también es un material frágil, lo que significa que, aunque estos sensores pueden soportar una presión significativa, pueden tener una presión de ruptura más baja en comparación con los sensores de película delgada de metal.

Sensor piezorresistivo

Los sensores piezorresistivos son más complejos en su construcción que los sensores de película gruesa de cerámica o de película delgada de metal. El núcleo de un sensor piezorresistivo es un chip de silicio que alberga el diafragma con resistores piezorresistivos incrustados. Estos chips son mucho más pequeños en área superficial en comparación con los diafragmas utilizados en sensores de película gruesa o delgada, a menudo de solo unos pocos milímetros cuadrados de tamaño.

Debido a su sensibilidad a factores ambientales, los chips piezorresistivos deben estar protegidos. Esto se logra encerrando el chip en una carcasa de acero inoxidable, que se sella con un diafragma delgado de acero inoxidable (Figura 4 etiquetada E). El espacio dentro de la carcasa se llena con un fluido de transmisión (Figura 4 etiquetada F) que transmite la presión del diafragma exterior al diafragma del sensor. Cuerpos de desplazamiento especiales (Figura 4 etiquetada C) minimizan los efectos de la expansión térmica del fluido de transmisión en la precisión de la medición.

El chip del sensor se monta y se conecta eléctricamente utilizando un cabezal (Figura 4 etiquetada B), que puede soldarse herméticamente a la carcasa. Los cables de unión (Figura 4 etiquetada H) conectan el sensor con pines externos (Figura 4 etiquetada A). Un tubo de ventilación (Figura 4 etiquetada G) se posiciona en el centro del cabezal, conduciendo al lado posterior del diafragma del sensor. Este tubo permite la medición de la presión absoluta cuando la cámara detrás del sensor se evacúa y el tubo se sella. Si el tubo de ventilación está abierto, el sensor mide la presión relativa, con el tubo conectando al ambiente ya sea a través de la carcasa exterior o un cable ventilado. Es crucial proteger el tubo de ventilación de la contaminación y la humedad para mantener la precisión del sensor.

Elegir la tecnología de sensor adecuada

Tabla 1: Diferentes aplicaciones de medición con tecnologías de sensores

Requisito	Principio del sensor
	Sensor de película delgada de metal	Sensor de película gruesa de cerámica	Sensor piezorresistivo
Medición de presión absoluta	No adecuado	Parcialmente cumplido	Bueno
Rangos de presión muy bajos	No adecuado	No adecuado	Bueno
Rangos de presión muy altos	Bueno	No adecuado	No adecuado
Resistencia a choques y vibraciones	Bueno	Parcialmente cumplido	Parcialmente cumplido
Estabilidad a largo plazo	Bueno	Parcialmente cumplido	Bueno

Cómo funcionan los interruptores de presión

Un interruptor de presión es esencialmente un sensor de presión que incorpora un componente adicional: un interruptor mecánico o electrónico. Esta integración permite que el dispositivo no solo mida la presión sino también actúe sobre el valor medido abriendo o cerrando un circuito eléctrico una vez que la presión alcanza un umbral predeterminado.

• Interruptores mecánicos: En un interruptor de presión mecánico, el componente de medición de presión (el sensor) actúa directamente sobre un interruptor mecánico. Cuando la presión alcanza un cierto nivel, provoca un movimiento físico (como la flexión de un diafragma o un movimiento de pistón) que desencadena mecánicamente un interruptor para abrir o cerrar un circuito eléctrico. Esta acción puede encender o apagar un sistema, activar alarmas o iniciar otros procesos mecánicos.
• Interruptores electrónicos: Los interruptores de presión electrónicos incorporan un sensor de presión que convierte la presión en una señal eléctrica. Esta señal se procesa luego mediante circuitos electrónicos que determinan si la presión está por encima o por debajo de un umbral definido por el usuario. Si se cruza el umbral, el circuito electrónico activa un relé o un interruptor de transistor, abriendo o cerrando así un circuito eléctrico. Este tipo de interruptor ofrece mayor flexibilidad y precisión, ya que el umbral puede ajustarse fácilmente mediante software, y el interruptor puede diseñarse para desencadenar diversas acciones electrónicas.