Ensuciamiento como causa de desviación en los sensores de presión

Ensuciamiento como causa de desviación en los sensores de presión

Todos conocemos el dicho de que “no se puede hacer una tortilla sin romper los huevos”. En el desarrollo de nuevos motores de combustión específicamente, esto significa que las partículas de hollín o los residuos de aceite pueden contaminar los sensores empleados.

La consecuencia de este tipo de suciedad se traduce en lecturas cada vez más inexactas. Cuando, por ejemplo, el sistema de escape de un nuevo motor de combustión está siendo monitoreado con transductores de presión, con el tiempo se depositará más y más polvo fino en el diafragma del sensor. Las membranas de los  sensores de presión piezorresistivos son muy delgadas para que puedan ofrecer resultados de medición de alta precisión. Pero cuando se forma una capa de hollín sobre esto con el tiempo, reduce la sensibilidad general del transductor de presión.

Protección de transmisores de presión contra partículas

Los usuarios finales toman nota de esta desviación en el sensor realizando mediciones de presión de referencia. Encontrarán diferencias considerables entre los valores de este manómetro de referencia y el sensor sucio en sí. A menudo, sin embargo, las lecturas experimentadas por los usuarios revelan cuándo las señales medidas se desvían demasiado de los resultados esperados. Las fuertes fluctuaciones en estos valores medidos también pueden ser un indicador de contaminación.

STS generalmente recomienda que los usuarios cuyos sensores estén expuestos a la suciedad los revisen después de un máximo de 100 horas de funcionamiento. Además, los usuarios también pueden intentar proteger el sensor tanto como sea posible de la contaminación. Aquí se utilizan dos métodos habituales.

Método 1: lámina protectora

El primer método no reemplaza el mantenimiento del sensor después de un máximo de 100 horas, pero simplifica la limpieza y también preserva la membrana. En este caso, se aplica una lámina protectora metálica muy fina a la membrana para protegerla de la suciedad. Después de un máximo de 100 horas de funcionamiento, esta película simplemente se retira y se reemplaza por una nueva.

Método 2: adaptador de refrigeración

Este método permite a los usuarios matar dos pájaros de un tiro. Al atornillar un adaptador de enfriamiento o una válvula climática en el extremo frontal del puerto de presión, la membrana ahora está protegida en gran medida contra la suciedad. La válvula climática se abre solo cuando realmente hay algo que medir. Cuando no se requiere un control permanente de la presión, este puede ser un buen método para minimizar el grado de contaminación del sensor empleado.

Al mismo tiempo, también se puede garantizar una temperatura constante del sensor a través de este elemento de refrigeración. Además de la contaminación de la membrana, la temperatura también tiene un efecto en la precisión de medición de los transductores de presión piezorresistivos ( más información sobre la influencia de la temperatura en la precisión de los sensores de presión se puede encontrar aquí ).

Limpieza de sensores de presión de contaminación por aceite

La contaminación con petróleo pesado se produce particularmente en el desarrollo de motores marinos. Los aditivos incorporados se depositan especialmente sobre la membrana e incluso pueden dañarla. Estos residuos reducen la sensibilidad del transductor de presión y aquí también debe observarse un servicio regular.

Para mantener la suciedad y sus consecuencias al mínimo posible, se debe considerar la naturaleza del sensor de presión en su selección. Se recomienda una membrana de acero inoxidable, que esté al ras y no tenga canales en los que puedan acumularse incluso los depósitos más pequeños. Cuanto más suave, mejor también se aplica aquí, porque en una membrana rugosa las partículas no deseadas se depositarán más rápido y también serán más difíciles de limpiar.

Para limpiar un sensor de presión sucio, debe retirarse de su aplicación. Aquí se recomienda isopropanol (IPA) como agente de limpieza. Si bien la carcasa del sensor no requiere precauciones especiales, la membrana debe tratarse sin presiones firmes utilizando, por ejemplo, hisopos de algodón. En ningún caso se debe utilizar aire comprimido, ya que las membranas son muy delgadas y, cuando se ejerce demasiada presión, pueden producirse deformaciones.

Vibraciones: el sensor de presión también se ve afectado

Vibraciones: el sensor de presión también se ve afectado

Prácticamente en todas las aplicaciones donde entran en juego compresores, turbinas y motores, se encuentran vibraciones que también afectan a los sensores de medición. Sin las precauciones adecuadas, esto puede afectar la funcionalidad de los transductores de presión empleados.

Los efectos de la vibración en los sensores de presión pueden ser graves: por un lado, la señal de medición puede verse perturbada por superposición. Si esta vibración se transmite a la señal de salida, los usuarios finales no recibirán resultados de medición útiles. Este efecto se puede observar sin demora y una carga continua aquí también puede conducir a la fatiga del material. Las costuras de soldadura pueden romperse y las conexiones roscadas pueden aflojarse. Ya sea por resultados de medición distorsionados o conexiones mecánicas rotas, las vibraciones pueden hacer que los sensores de presión no funcionen. Afortunadamente, estos efectos indeseables también pueden minimizarse en gran medida.

Prevención de daños en el sistema de medición de presión por vibraciones

La prevención es la mejor medida. Esto requiere que los usuarios sean conscientes de las vibraciones que ocurren en la aplicación respectiva. El primer paso es determinar la frecuencia de vibración de la aplicación. Las vibraciones no provocan daños per se. En las hojas de datos de los fabricantes, el rango de frecuencia en el que no se producen interferencias suele figurar en “Pruebas”. La DIN EN 60068-2-6 se aplica aquí estándar, donde la muestra de ensayo se somete a una gama de frecuencias definida sobre una duración de prueba predeterminado. El objetivo aquí es especificar las frecuencias características de la muestra de prueba. El procedimiento de prueba real se muestra en la Figura 1.

Figura 1: Cualificación de un prototipo: El sensor de presión se atornilla a un bloque de aluminio que se carga mecánicamente (vibración, aceleración)

Si surgen vibraciones fuertes que exceden las especificaciones del sensor de presión, inicialmente se pueden considerar dos enfoques. El primero tiene que ver con la dimensión espacial: ¿Qué tamaño tiene el transductor de presión y dónde está instalado? Es cierto que cuanto más pesado y grande es un transductor de presión, mayor es el efecto de las vibraciones y menor es la resistencia. Por tanto, puede resultar ventajoso en aplicaciones de fuerte vibración utilizar un transmisor de presión más pequeño, como el ATM.mini , que sufre poco efecto de las vibraciones debido a su pequeña masa.

Además de las dimensiones del transductor de presión, también es decisiva su posición real en la aplicación. Si se asienta a lo largo del eje de vibración, recibirá menos vibración. Sin embargo, cuando se monta a lo largo del eje de vibración, debe ser capaz de soportar todo el alcance de esas vibraciones.

Además, el propio transductor de presión puede equiparse para tolerar aún mejor las vibraciones. Para ello, el transmisor de presión está recubierto de un compuesto de sellado suave, que amortigua las vibraciones y, por lo tanto, protege adecuadamente los componentes mecánicos. En la Figura 2, este compuesto de sellado se ve como transparente y brillante.

Figura 2: Sensor de presión con compuesto sellante 

En resumen, se puede decir que fuertes vibraciones podrían dañar el sensor de medición. Al seleccionar un transmisor de presión adecuado para la aplicación (rango de frecuencia, dimensiones), así como un montaje óptimo (a lo largo del eje de vibración), se pueden minimizar los efectos de cualquier vibración. Se proporciona protección adicional al encerrar el sensor en un compuesto sellador humectante (ver Figura 2). 

Medición de presión de alta precisión a altas temperaturas

Medición de presión de alta precisión a altas temperaturas

En algunas aplicaciones, los transmisores de presión deben funcionar de manera confiable cuando se exponen a temperaturas muy altas. Los autoclaves utilizados para esterilizar equipos y suministros en las industrias química y alimentaria son sin duda una de estas aplicaciones exigentes.

Un autoclave es una cámara de presión que se utiliza en una amplia gama de industrias para una variedad de aplicaciones. Se caracterizan por altas temperaturas y presiones diferentes a la presión del aire ambiente. Los autoclaves médicos, por ejemplo, se utilizan para esterilizar equipos mediante la destrucción de bacterias, virus y hongos a 134 ° C. El aire atrapado en la cámara de presión se elimina y se reemplaza por vapor caliente. El método más común para lograr esto se llama desplazamiento hacia abajo: el vapor ingresa a la cámara y llena las áreas superiores empujando el aire más frío hacia el fondo. Allí, se evacúa a través de un desagüe que está equipado con un sensor de temperatura. Este proceso se detiene una vez que se ha evacuado todo el aire y la temperatura dentro del autoclave es de 134 ° C.

Medición muy precisa a altas temperaturas

Los transmisores de presión se utilizan en autoclaves para seguimiento y validación. Dado que los sensores de presión estándar generalmente se calibran a temperatura ambiente, no pueden ofrecer la mejor precisión en las condiciones de calor y humedad que se encuentran en los autoclaves. Sin embargo, recientemente un cliente de la industria farmacéutica se ha puesto en contacto con STS y requiere un error total del 0,1 por ciento a 134 ° C que mide de -1 a 5 bar.

Los sensores de presión piezorresistivos son bastante sensibles a la temperatura. Sin embargo, los errores de temperatura se pueden compensar para que los dispositivos se puedan optimizar para las temperaturas encontradas en aplicaciones individuales. Por ejemplo, si utiliza un transmisor de presión estándar que alcanza una precisión del 0,1 por ciento a temperatura ambiente, el dispositivo no podría ofrecer el mismo grado de precisión cuando se usa en un autoclave con temperaturas de hasta 134 ° C.

Los usuarios que saben que necesitan un sensor de presión que logre un alto grado de precisión a altas temperaturas, por lo tanto, necesitan un dispositivo calibrado en consecuencia. Calibrar un sensor de presión para ciertos rangos de temperatura es una cosa. Sin embargo, el cliente que preguntó acerca de la aplicación del autoclave con demandas de precisión muy altas tuvo otro desafío para nosotros que fue aún más complicado de realizar que un sensor correctamente calibrado: no solo el elemento del sensor debía estar en el autoclave a 134 ° C, sino que El transmisor completo, incluida toda la electrónica, también tenía que ir allí. Desafortunadamente, no podemos entrar en detalles sobre cómo pudimos ensamblar un transmisor digital que ofrece la precisión deseada de menos del 0,1 por ciento de error total a 134 ° C, pero cuyos otros componentes también pueden manejar las condiciones de calor y humedad. .

En resumen: los sensores de presión piezorresistivos son sensibles a los cambios de temperatura. Sin embargo, con los conocimientos técnicos adecuados, se pueden optimizar para los requisitos de aplicaciones individuales. Además, no solo el elemento sensor se puede calibrar en consecuencia, todo el transmisor se puede ensamblar de manera que se puedan controlar incluso las condiciones de calor y humedad.

Medición de presión electrónica: comparación de principios de medición comunes

Medición de presión electrónica: comparación de principios de medición comunes

Los transmisores de presión electrónicos se utilizan en una variedad de aplicaciones, desde la tecnología de maquinaria hasta el sector de la fabricación, pasando por las industrias alimentaria y farmacéutica. El registro del tamaño físico de la presión puede realizarse mediante diferentes principios de medición. Presentamos las tecnologías comunes aquí.

En la medición de presión electrónica, generalmente se hace una distinción entre sensores de película fina, sensores de película gruesa y sensores de presión piezorresistivos. Es común a los tres principios de medición que la cantidad física de presión se convierte en una señal eléctrica medible. Igualmente fundamental para los tres principios es un puente de Wheatstone: un dispositivo de medición para la detección de resistencias eléctricas, que a su vez consta de cuatro resistencias interconectadas.

Sensores de presión piezorresistivos: alta precisión y rentables

Los sensores de presión piezorresistivos se basan en galgas extensométricas semiconductoras de silicio. Cuatro resistencias conectadas a un puente de Wheatstone se difunden en un chip de silicio. Bajo presión, este chip de silicio se deformará y esta deformación altera la conductividad de las resistencias difundidas. La presión se puede leer en última instancia a partir de este cambio de resistencia.

Debido a que el elemento sensor piezorresistivo es muy sensible, debe protegerse de la influencia del medio de medición. Por lo tanto, el sensor está ubicado dentro de un sello de diafragma, y ​​la presión se transmite a través de un líquido que rodea el elemento sensor. La elección habitual aquí es el aceite de silicona. En aplicaciones higiénicas tales como en las industrias de productos alimenticios o farmacéuticos , sin embargo, también se utilizan otros fluidos de transferencia. No es posible una celda de medición seca de la que no salga líquido en caso de daño.

Las ventajas:

  • muy alta sensibilidad, presiones en el rango de mbar medibles
  • Es posible un rango de medición alto, desde mbar hasta 2000 bar
  • seguridad de sobrecarga muy alta
  • excelente precisión de hasta el 0,05 por ciento del intervalo
  • diseño de sensor pequeño
  • muy buen comportamiento de histéresis y buena repetibilidad
  • tecnología básica comparativamente económica
  • presiones estáticas y dinámicas

Las desventajas:

Sensores de película fina: estabilidad a largo plazo pero caro

A diferencia de los sensores de presión piezorresistivos, los sensores de película delgada se basan en un cuerpo principal metálico. Sobre esto, las cuatro resistencias conectadas a un puente de Wheatstone se depositan mediante un llamado proceso de pulverización catódica. Por tanto, la presión se detecta aquí también mediante un cambio de resistencia provocado por la deformación. Además de las galgas extensométricas, también se pueden insertar resistencias de compensación de temperatura. No es necesario un líquido de transferencia, como en el caso de los sensores de presión piezorresistivos.

Las ventajas:

  • tamaño muy pequeño
  • presiones de hasta 8.000 bar medibles
  • excelente estabilidad a largo plazo
  • no se requiere compensación de temperatura
  • alta precisión
  • alta presión de rotura
  • presiones estáticas y dinámicas

Las desventajas:

  • menor sensibilidad que los sensores piezorresistivos , por lo que las presiones bajas son menos medibles
  • tecnología básica  comparativamente cara

Sensores de película gruesa: especialmente resistentes a la corrosión

La cerámica (cerámica de alúmina) sirve como material básico para los sensores de película gruesa. Estos sensores de presión son monolíticos, lo que significa que el cuerpo del sensor consta de un solo material, lo que garantiza una excelente estabilidad a largo plazo. Además, las cerámicas son especialmente resistentes a la corrosión frente a medios agresivos. Con este tipo de sensor, el puente de Wheatstone se imprime en el cuerpo principal mediante tecnología de película gruesa y luego se hornea a alta temperatura.

Las ventajas:

  • muy buena resistencia a la corrosión
  • no se requiere compensación de temperatura
  • buena estabilidad a largo plazo
  • no se necesita sello de diafragma

Las desventajas:

  • no apto para medir presiones dinámicas
  • rango de presión superior limitado (alrededor de 400 bar)
Interpretar correctamente los valores de precisión para sensores de presión

Interpretar correctamente los valores de precisión para sensores de presión

En la búsqueda de un transmisor de presión adecuado, varios factores influirán. Mientras que algunas aplicaciones requieren un rango de presión particularmente amplio o una estabilidad térmica prolongada, para otras la precisión es decisiva. El término “precisión”, sin embargo, no está definido por estándares. Le ofrecemos una descripción general de los distintos valores.

Aunque la “precisión” no es una norma definida, se puede verificar a partir de valores relevantes para la precisión, ya que estos se definen en todos los estándares. Sin embargo, la forma en que se especifican estos valores relevantes para la precisión en las hojas de datos de varios fabricantes depende totalmente de ellos. Para los usuarios, esto complica la comparación entre diferentes fabricantes. Por lo tanto, todo se reduce a cómo se presenta la precisión en las hojas de datos y cómo interpretar estos datos correctamente. Un error del 0,5%, después de todo, puede ser tan preciso como el 0,1%; es solo una cuestión del método adoptado para determinar esa precisión.

Valores de precisión para transmisores de presión: descripción general

El valor de precisión más ampliamente aplicado es la no linealidad . Esto representa la mayor desviación posible de la curva característica de una línea de referencia dada. Para determinar esto último, hay tres métodos disponibles: Ajuste del punto final, Mejor ajuste en línea recta (BFSL) y Mejor ajuste hasta cero. Todos estos métodos conducen a resultados diferentes.

El método más fácil de entender es el ajuste del punto final. En este caso, la línea de referencia pasa por el punto inicial y final de la curva característica. El ajuste BSFL, por otro lado, es el método que da como resultado los valores de error más pequeños. Aquí la línea de referencia se posiciona de manera que las desviaciones máximas positivas y negativas sean iguales en grado.

El método Best Fit Through Zero, en términos de resultados, se sitúa entre los otros dos métodos. Por lo general, se debe consultar directamente cuál de estos métodos aplican los fabricantes, ya que esta información a menudo no se indica en las hojas de datos. En STS, generalmente se adopta la curva característica de acuerdo con el ajuste Best Fit Through Zero.

Los tres métodos en comparación:

El error de medición es el valor más fácil de entender para los usuarios con respecto a la precisión de un sensor, ya que se puede leer directamente de la curva característica y también contiene los factores de error relevantes a temperatura ambiente (no linealidad, histéresis, no repetibilidad, etc.). El error de medición describe la mayor desviación entre la curva característica real y la línea recta ideal. Dado que el error de medición devuelve un valor mayor que la no linealidad, los fabricantes no suelen especificarlo en las hojas de datos.

Otro valor de precisión también aplicado es la precisión típica . Dado que los dispositivos de medición individuales no son idénticos entre sí, los fabricantes establecen un valor máximo que no se superará. Por lo tanto, no todos los dispositivos lograrán la “precisión típica” subyacente. Sin embargo, se puede suponer que la distribución de estos dispositivos corresponde a 1 sigma de la distribución gaussiana (es decir, alrededor de dos tercios). Esto también implica que un lote de sensores es más preciso de lo indicado y otro lote es menos preciso (aunque no se excederá un valor máximo particular).

Por paradójico que parezca, los valores de precisión en realidad pueden variar en precisión. En la práctica, esto significa que un sensor de presión con un error del 0,5% en la no linealidad máxima según el ajuste del punto final es exactamente tan preciso como un sensor con un error del 0,1% de no linealidad típica según el ajuste BSFL.

Error de temperatura

Los valores de precisión de no linealidad, precisión típica y error de medición se refieren al comportamiento del sensor de presión a una temperatura de referencia, que suele ser de 25 ° C. Por supuesto, también hay aplicaciones donde pueden ocurrir temperaturas muy bajas o muy altas. Debido a que las condiciones térmicas influyen en la precisión del sensor, el error de temperatura debe incluirse adicionalmente. Puede encontrar más información sobre las características térmicas de los sensores de presión piezorresistivos aquí .

Precisión en el tiempo: estabilidad a largo plazo

Las entradas de precisión en las hojas de datos del producto proporcionan información sobre el instrumento al final de su proceso de producción. A partir de este momento, la precisión del dispositivo puede verse alterada. Esto es completamente normal. Las alteraciones a lo largo de la vida útil del sensor se suelen especificar como estabilidad a largo plazo. Aquí también, los datos se refieren a condiciones de laboratorio o de referencia. Esto significa que, incluso en pruebas exhaustivas en condiciones de laboratorio, la estabilidad a largo plazo declarada no se puede cuantificar con precisión para las condiciones reales de funcionamiento. Es necesario considerar varios factores: Las condiciones térmicas, las vibraciones o las presiones reales que se deben soportar influyen en la precisión durante la vida útil del producto.

Es por eso que recomendamos probar los sensores de presión una vez al año para verificar el cumplimiento de sus especificaciones. Es fundamental comprobar las variaciones del dispositivo en términos de precisión. Con este fin, normalmente es suficiente verificar el punto cero para ver si hay cambios mientras se encuentra en un estado sin presión. Si esto es mayor que las especificaciones del fabricante, es probable que la unidad esté defectuosa.

La precisión de un sensor de presión puede verse influenciada por una variedad de factores. Por lo tanto, se aconseja consultar previamente a los fabricantes: ¿En qué condiciones se debe utilizar el transmisor de presión? ¿Qué posibles fuentes de error pueden ocurrir? ¿Cómo se puede integrar mejor el instrumento en la aplicación? ¿Cómo se calculó la precisión especificada en la hoja de datos? De esta manera, en última instancia, puede asegurarse de que usted, como usuario, reciba el transmisor de presión que satisfaga de manera óptima sus requisitos en términos de precisión.

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