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Detectar estados y cambios en el mundo físico es una de las tareas fundamentales de la ingeniería eléctrica. En este artículo, aprenderá sobre los transductores de presión, que detectan la presión y la convierten en energía eléctrica. En la siguiente sección, entraremos en una definición más detallada del término «transductor de presión» y luego explicaremos los diferentes tipos de transductores de presión y cómo funcionan.
¿Qué es un transductor de presión?
así que lo que Es ¿Un transductor de presión que va más allá de la explicación de una frase dada anteriormente? Para responder a esta pregunta, dividámosla en dos partes. Primero: ¿Qué es la impresión? Y segundo: ¿Qué es un conversor?
¿Qué es la presión?
En este contexto, la presión es la fuerza por unidad de área ejercida sobre un objeto en la dirección perpendicular a la superficie de ese objeto. Esta fuerza suele estar asociada con un fluido (es decir, un líquido o un gas). Las mediciones de presión absoluta utilizan la presión cero teórica como punto de referencia y las mediciones de presión relativa utilizan la presión atmosférica como punto de referencia.
La distinción entre presión absoluta y presión manométrica es un recordatorio importante de lo que siente Al igual que la presión cero para los humanos no es presión cero en absoluto. Vivimos constantemente bajo presión atmosférica, que ejerce una fuerza de aproximadamente 14,7 libras por pulgada cuadrada (14,7 psi). Si suena un poco injusto vivir bajo una presión de 14,7 psi desde el nacimiento hasta la muerte, vivir en un ambiente de 0 psi sería mucho peor: la verdadera presión cero es un vacío perfecto y causaría una muerte rápida.
¿Qué es un convertidor?
Los términos «sensor» y «transductor» a menudo se usan indistintamente. Esto no es sorprendente, ya que muchos dispositivos que son sensores también son transductores, y muchos transductores (incluidos los que discutiremos hoy) también son sensores. Sin embargo, las palabras mismas indican una diferencia sutil.
Sensores sentido (como en reconocero medida) cantidades físicas y poner esta información a disposición de un usuario. Un termómetro de mercurio, por ejemplo, es un sensor: aplica calor a una sustancia para que las personas puedan medir fácilmente la temperatura.
Los transductores no sólo miden cantidades: convierten energía de una forma a otra. En la mayoría de los casos, la energía de “entrada” o la energía de “salida” tiene la forma de una señal eléctrica. Un micrófono es un transductor porque convierte la energía del sonido en una señal de voltaje. Hoy en día, las señales producidas por un transductor suelen ser muestreadas por un convertidor analógico a digital para que la información pueda procesarse y analizarse mediante circuitos digitales.
Décadas de innovación han dado como resultado una impresionante variedad de transductores que convierten la aceleración, la temperatura, la intensidad del campo magnético, la intensidad de la luz y otras cantidades físicas en señales eléctricas. Aunque nos limitemos a mirar los transductores de presión, existen varios tipos. Éstas incluyen:
- Capacitivo.
- Inductivo.
- Resiliente.
- Piezoeléctrico.
Transductores de presión capacitivos e inductivos.
Un condensador es un dispositivo pasivo y, por tanto, no puede producir una señal. Sin embargo, el condensador se puede integrar en un circuito de tal manera que las fluctuaciones de la capacitancia provoquen fluctuaciones de la señal.
La capacitancia de un capacitor de placas paralelas se determina de la siguiente manera:
- El área de las placas.
- La distancia entre las placas.
- La permitividad del material aislante entre las placas.
Un transductor de presión capacitivo (Figura 1) combina un capacitor de placas paralelas con un diafragma que hace que la distancia entre las placas cambie a medida que cambia la presión.
Ilustración 1. Un transductor de presión industrial que puede convertir la presión en un valor de salida digital de 14 bits. Imagen cortesía de TE Connectivity
Se puede aplicar un principio de diseño similar a los dispositivos inductivos. En los transductores de presión inductivos, las fluctuaciones de presión cambian la posición de un núcleo ferromagnético y generan así fluctuaciones de señal.
Transductor de presión de resistencia
Discutiremos tres tipos de transductores que utilizan resistencia para medir la presión:
- Medidores de deformación.
- Sensores de presión piezoresistivos.
- Sensores de presión potenciométricos.
Técnicamente, las dos últimas categorías son sensores que contienen transductores y circuitos adicionales. Sin embargo, tiene más sentido considerar los dispositivos en su conjunto, y “sensores de presión piezoresistivos (o potenciométricos) con transductores” es un poco exagerado.
Medidores de deformación
Como sugiere el nombre, un extensómetro (Figura 2) mide la deformación, que se define como la deformación física en la dirección de la fuerza aplicada. Un objeto conductor en una galga extensométrica experimenta cambios en la resistencia eléctrica debido a la deformación. Dado que la deformación resulta de la fuerza y la presión es fuerza por unidad de área, la tecnología de galgas extensométricas puede ser la base de un transductor de presión.
Figura 2. Construcción de una galga extensométrica pegada. Imagen cortesía de Todo sobre circuitos
Si bien un medidor de tensión por sí solo es técnicamente un transductor, esta tecnología generalmente se combina con un circuito que convierte los cambios de resistencia en una señal de voltaje.
Transductores de presión piezoresistivos y potenciométricos
Los sensores de presión piezorresistivos tienen un funcionamiento similar a los extensómetros, pero su construcción es ligeramente diferente. Ofrecen alto rendimiento y bajo costo y son ampliamente utilizados.
Otro medio basado en la resistencia para medir la presión es un potenciómetro, que está equipado con un elemento sensible a la presión que provoca el movimiento del limpiador del potenciómetro. Al igual que con las galgas extensométricas, los cambios en la resistencia pueden medirse mediante un circuito externo y convertirse en una señal de voltaje.
Transductores de presión piezoeléctricos
Los materiales piezoeléctricos, como los cristales de cuarzo utilizados en osciladores electrónicos, producen cambios en la carga eléctrica en respuesta al estrés mecánico. La tensión mecánica, a su vez, resulta de la fuerza ejercida. Debido a esta relación fuerza-carga, se puede construir un transductor de presión alrededor de un elemento piezoeléctrico y una membrana (Figura 3). Los transductores de presión piezoeléctricos suelen ser robustos y receptivos.
Figura 3. Un transductor de presión piezoeléctrico que combina el sistema de cristal más membrana con un circuito amplificador. Imagen cortesía de PCB Piezotronics
Resumen
Los ingenieros eléctricos tienen una variedad de opciones para incorporar mediciones de presión en un diseño. Como de costumbre, se requiere algo de investigación y consideración cuidadosa para determinar el convertidor óptimo para un proyecto en particular. Si desea obtener más información sobre la tecnología de sensores de presión, particularmente en el sector industrial, le recomiendo los siguientes artículos de All About Circuits y su sitio hermano Control Automation:
Imagen destacada utilizada con permiso de Adobe Stock
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