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Simulación mecánica previa a proyectos exigentes de medición de presión - Switzerland (ES)
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Los métodos de ingeniería y las tecnologías modernas permiten a los fabricantes diseñar transmisores de presión para cumplir con los requisitos prácticos. Esto es especialmente esencial para aplicaciones exigentes.

Las condiciones generales para el desarrollo de campos petroleros en alta mar son extremadamente difíciles. Lejos del continente y a grandes profundidades, aquí los transmisores de presión están expuestos a grandes cargas. La falla funcional es extremadamente costosa, ya que en caso de falla, el módulo debe recuperarse de las profundidades marinas y luego reinstalarse. Es fundamental hacer predicciones fiables de antemano sobre la funcionalidad de la unidad en las condiciones que se van a anticipar. Por esta razón, los componentes individuales del transmisor de presión se exponen primero a una simulación mecánica de las condiciones ambientales que se encuentran en las profundidades marinas.

Figura 1: simulación FEM de una carcasa de sensor

El método de los elementos finitos (FEM) se utiliza en la simulación mecánica. Este es un proceso numérico común para examinar la resistencia de cuerpos con una forma geométricamente compleja. El cuerpo sólido que se va a examinar, como la carcasa de un transmisor de presión, se divide en elementos finitos o cuerpos parciales. Por lo tanto, este es un modelado físico que utiliza un software intensivo en computación para determinar si los elementos finitos y, en última instancia, también la estructura general, resistirían las fuerzas esperadas. La exploración de petróleo se distingue principalmente por presiones muy altas. A una profundidad del mar de 2.500 metros, nada inusual en este campo de aplicación, se ejerce una presión de 250 bar sobre la carcasa. Además de esta presión externa, también se debe tener en cuenta la presión del proceso en sí, que incluso puede ser considerablemente mayor (cuandose  producen picos de presión , por ejemplo).

En el método de elementos finitos, por lo tanto, no se examina la resistencia de los transmisores de presión terminados, sino que se realiza un modelado de la manera más realista posible. Si se encuentra una solución que cumpla con las especificaciones del usuario, el producto se probará en un experimento real, que ya no se llevará a cabo virtualmente. En una solución de medición de presión individual para usuarios en la producción de petróleo en alta mar, este experimento en la cámara de presión es de primordial importancia. Estas pruebas hiperbáricas validan los resultados del método de elementos finitos y determinan el límite de carga de los componentes o de todo el sistema. En última instancia, esto garantiza que los usuarios con requisitos especiales de sensores reciban un producto que funcione de manera confiable.

Figura 2: Micrografías de dos carcasas de sensores. Izquierda: sin presurización. Derecha: después de una prueba hiperbárica a 1.500 bar. No se ven cambios, la vivienda es estable.

La figura 2 muestra las micrografías de dos carcasas de sensores idénticas. La carcasa de la izquierda no estaba presurizada, mientras que la de la derecha estaba sometida a una presión de 1.500 bar. Esto corresponde a una columna de agua de 15 kilómetros y, por tanto, mucho más que en el punto más profundo de los océanos. Al optimizar el componente utilizando el método de elementos finitos, se puede modelar para soportar esta enorme presión. En comparación, la Fosa de las Marianas es el punto más profundo de los océanos a 11 kilómetros de profundidad. Por lo tanto, las mediciones de presión tomadas incluso en la propia Fosa de las Marianas no deberían plantear problemas. Por tanto, el margen de seguridad para la mayoría de las aplicaciones es muy alto y se garantiza un funcionamiento fiable.

Otras aplicaciones del método de elementos finitos

Las simulaciones mecánicas no solo son útiles para aplicaciones de alta presión. Como ya se describió en otra parte , la temperatura es un factor de influencia importante en la medición de presión piezorresistiva. Tomemos ahora como ejemplo el tubo de escape de un vehículo de motor. Las temperaturas aquí son muy altas y pueden superar los límites de un transmisor de presión. En este caso de aplicación, el método de elementos finitos se utilizaría para investigar cómo debe diseñarse el transmisor de presión para que no actúe más de 150 ° C de calor sobre la celda de medición.

Las simulaciones mecánicas también pueden ser útiles en el rango de baja presión. Los cambios mecánicos, después de todo, tienen un impacto mucho mayor a bajas presiones. Si bien es poco probable que las desviaciones de medición en el rango de mbar sean decisivas en una aplicación de alta presión, este ya es un valor significativo para un rango de medición por debajo de un bar. Por ejemplo, el elemento de conexión entre el chip de medición y la carcasa suele ser un adhesivo. Si el par es demasiado alto al montar el transmisor de presión, esta conexión podría aflojarse o incluso modificarse ligeramente y las distorsiones se transferirían a la celda de medición. Esto por sí solo puede provocar graves errores de medición. Las propiedades del adhesivo utilizado también se pueden modelar utilizando el método de elementos finitos. El objetivo aquí, por supuesto,

El esfuerzo de las simulaciones mecánicas vale la pena a largo plazo. Los productos no solo pueden diseñarse para cumplir con las especificaciones requeridas, sino que esto también permite optimizar el diseño para que los productos sean lo más fáciles de usar posible.

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