Usar sensores de presión aislados por medios para aumentar la fiabilidad y precisión de los procesos industriales

Los diseñadores de procesos industriales y comerciales de circuito cerrado como la calefacción, la ventilación, el aire acondicionado y la refrigeración (HVAC/R) utilizan transductores de presión electromecánicos para aumentar el control y mejorar el rendimiento de los procesos. El problema es que los líquidos y gases utilizados en estos sistemas, combinados con la amplia gama de temperaturas y presiones a las que funcionan los sistemas, pueden atacar los materiales del transductor de presión, causando una corrosión que puede conducir a fugas que comprometan la integridad del sensor.

Los diseñadores necesitan una tecnología alternativa que pueda hacer frente a los desafíos ambientales y que al mismo tiempo proporcione la precisión y la fiabilidad necesarias para la aplicación.

Este artículo describe cómo funcionan los transductores de presión basados en bandas extensométricas antes de introducir los transductores de presión aislada por el medio (MIP) de Honeywell. Estos están fabricados de acero inoxidable y presentan un diseño de soldadura hermética en lugar de la junta tórica y los sellos adhesivos que a menudo resultan ser debilidades en los sensores típicos. A continuación, el artículo examina las fuentes de los errores de medición y cómo pueden minimizarse antes de demostrar cómo pueden aplicarse los transductores en un sistema de refrigeración comercial para aumentar la eficiencia del proceso.

Cómo funciona un transductor de presión electromecánico

Los modernos transductores de presión se basan en salidas eléctricas y eliminan las conexiones mecánicas y los diales más antiguos y volubles. Las principales ventajas de los dispositivos electromecánicos de hoy en día son la fiabilidad, la precisión y la capacidad de ser monitorizados a distancia. Su principal tecnología de medición se basa en materiales piezoeléctricos o en bandas extensométricas. Los transductores piezoeléctricos de presión solo son adecuados para la medición de la presión dinámica, mientras que las unidades de bandas extensométricas pueden utilizarse tanto para la medición de la presión dinámica como para la estática. Este artículo se centrará en esto último.

Las bandas extensométricas son circuitos eléctricos que cambian de resistencia cuando se someten a una tensión, donde la tensión es la relación entre el cambio de longitud de un material sometido a una fuerza y su longitud sin carga (designado "ε"). La banda extensométrica se clasifica generalmente según su "factor de banda" (GF), que es una medida de su sensibilidad a la tensión. En otras palabras, GF es la relación entre el cambio fraccionario de la resistencia eléctrica y el cambio fraccionario de la longitud (o tensión).

En uso, el transductor de presión se inserta directamente en el sistema presurizado donde el líquido o gas del sistema entra en un puerto del transductor y desplaza un diafragma. Se coloca una banda extensométrica con un adhesivo adecuado en la parte superior de este diafragma (Figura 1).

Figura 1: Una banda extensométrica montada en un diafragma adecuada para su uso en un transductor de presión. En este ejemplo, el diámetro real de la banda extensométrica es de 6.35 milímetros (mm). (Fuente de la imagen: Micro Measurements)

Incluso bajo presiones muy altas, es probable que el cambio de longitud de la banda extensométrica no sea más que una "milésima" (mε), lo que a su vez conduce a un cambio muy pequeño en la resistencia. Por ejemplo, supongamos que un espécimen de prueba se somete a una cepa de 350 mε. Bajo esta carga, una banda extensométrica con un GF de 2 mostrará un cambio en la resistencia eléctrica de 2 (350 x 10^-6) = 0.07 por ciento. Para un medidor de 350 ohm (Ω), el cambio en la resistencia sería solo de 0.245 Ω.

Cómo hacer mediciones con bandas extensométricas

Para medir con precisión esos pequeños cambios en la resistencia y al mismo tiempo minimizar el impacto del ruido, la banda extensométrica del transductor de presión está incorporada en una de las patas de un puente de Wheatstone, una red de cuatro brazos resistivos con un voltaje de excitación, E, aplicado a través de ella (Figura 2).

Figura 2: En este diagrama de circuito del puente de Wheatstone, la banda extensométrica está incorporada en un brazo; R_G es la resistencia de la banda extensométrica y R_L1 y R_L2 son las resistencias del cable conductor de la banda extensométrica; las resistencias R₂, R₃, y R₄ son valores fijos y conocidos; e_o es el voltaje de salida y E el voltaje de excitación. (Fuente de la imagen: Micro Measurements)

El puente de Wheatstone es el equivalente eléctrico de dos circuitos divisores de tensión paralelos con R_G (suponiendo que la resistencia de los cables conductores R_L1 y R_L2 es insignificante) y R₄ que comprenden un circuito divisor de tensión, y R₂ y R₃ que comprende el segundo. La salida, e_o, se mide entre los nodos centrales de los dos divisores de voltaje y se puede calcular a partir de ellos:

 Ecuación 1

De la ecuación 1, se puede ver que cuando R_G/R₄ = R₃/R₂, el voltaje de salida, e_o, es cero y se dice que el puente está equilibrado. Cualquier cambio en la resistencia de la banda extensométrica desequilibrará el puente y producirá un e no-cero _o proporcional a la tensión. En un transductor de presión, se dice que el voltaje de salida de la banda extensométrica montada en el diafragma es "ratiométrico" (linealmente proporcional) al voltaje de suministro (excitación), E, en todo el rango de presión.

Compensación de temperatura

Un desafío de diseño cuando se utilizan bandas extensométricas es su susceptibilidad a los efectos de la temperatura. Las fluctuaciones de temperatura pueden introducir errores de compensación y amplitud y aumentar la histéresis.

La banda extensométrica puede calentarse debido al voltaje de excitación, E, pero esto se puede mitigar en gran medida manteniendo la E baja. La desventaja es que esto disminuirá la sensibilidad del sistema, pero el voltaje de salida del puente de Wheatstone, e_o, puede ser amplificado si es necesario. Sin embargo, hay que tener especial cuidado en evitar la amplificación del ruido superpuesto. Una solución es utilizar amplificadores de "frecuencia portadora" que convierten la variación de voltaje en una variación de frecuencia y utilizan una salida de ancho de banda estrecho para mantener el ruido bajo y reducir la interferencia electromagnética fuera de banda (IEM).

Una segunda fuente de calor proviene del diafragma y del cuerpo del propio transductor de presión. Las temperaturas calientes harán que el diafragma se expanda y que la banda extensométrica registre una tensión que no se deba directamente a la presión del líquido o del gas.

Para mitigar estos efectos, las modernas bandas extensométricas incorporan medidas de compensación de temperatura. Las bandas extensométricas se fabrican generalmente con una aleación de 55 por ciento de cobre/45 por ciento de níquel. El material tiene un coeficiente de expansión térmica (CTE) muy bajo que limita la tensión inducida por la temperatura. Además, si se hace coincidir cuidadosamente el CET de la banda extensométrica con el del material del diafragma al que está fijada, se puede aplicar un grado de "compensación de autotemperatura", limitando la tensión inducida por la temperatura a solo unos pocos micrómetros/metros/grados centígrados (μm/m/°C).

Otra fuente de error inducida por la temperatura puede provenir de los cables conductores que llevan las señales de tensión de la banda extensométrica. En la discusión inicial de las características del puente en la Figura 2 anterior, se asumió que la resistencia de estos cables (R_L1 y R_L2) era insignificante; pero si los cables de los conductores están hechos de cobre, entonces un aumento de tan solo 10 °C en la temperatura podría causar un desplazamiento del puente equivalente a varios cientos de microdeformación (µε) directamente de los conductores. Una técnica común para superar este desfase es utilizar un puente de tres hilos (Figura 3).

Figura 3: En este diagrama de circuito del puente de Wheatstone, el nodo eléctrico del puente de salida negativa se desplaza desde la parte superior de R₄ hasta la parte inferior de la banda extensométrica al final de R_L2. Con los cables de plomo R_L1 y R_L2 formando la misma resistencia, el puente estará equilibrado. El cable conductor R_L3 es solo un cable sensor de voltaje y no tiene efecto en el balance del puente. (Fuente de la imagen: Micro Measurements)

En la figura 3 se puede ver que el nodo eléctrico del puente de salida negativo se mueve desde la parte superior de R₄ hasta la parte inferior de la banda extensométrica al final de R_L2. El cable conductor R_L1 y la banda extensométrica (R_G) forman un brazo, con R_L2 y la resistencia R₄ formando el brazo adyacente. Si los cables conductores R_L1 y R_L2 tienen la misma resistencia, entonces los dos brazos del puente serán iguales en resistencia y el puente estará equilibrado. El cable conductor R_L3 es un cable sensor de voltaje solamente; no está en serie con ninguno de los brazos del puente y no tiene efecto en el balance del mismo.

Siempre que tanto R_L1 como R_L2 estén sujetos a las mismas fluctuaciones de temperatura, el puente permanecerá equilibrado. Además, como sólo un cable de plomo está en serie con la banda extensométrica, la sensibilización a la temperatura inducida por el cable de plomo se reduce a la mitad en comparación con una configuración de dos cables.

Además del efecto de la temperatura en la salida del transductor de presión, hay otras fuentes de error. Estas fuentes de error suelen referirse a la "función de transferencia ideal", que es una línea recta, independiente de la temperatura, que pasa por el desfase ideal con una pendiente igual a la amplitud ideal a escala completa (FSS) en el rango de presión de funcionamiento. El desplazamiento es la señal de salida obtenida cuando se aplica una presión de referencia y el SSF es la diferencia entre la señal de salida medida en los límites superior e inferior del rango de presión de funcionamiento (Figura 4).

Figura 4: La función de transferencia ideal de un transductor de presión es una línea recta, independiente de la temperatura, que pasa a través de la desviación ideal con una pendiente igual a la FSS ideal en el rango de presión de funcionamiento. (Fuente de la imagen: Honeywell)

Los transductores de presión de menor calidad pueden estar sujetos a errores de compensación y FSS relativamente grandes cuando salen de la fábrica. El error de desfase es la máxima desviación de la presión en comparación con el desfase ideal, mientras que el error de FSS es la máxima desviación en el FSS medido a la temperatura de referencia en relación con el FSS ideal (u objetivo) determinado a partir de la función de transferencia ideal.

Otros errores provienen de la precisión del propio transductor de presión, que puede estar sujeto a la no linealidad de la presión, la histéresis de la presión y la no repetibilidad. La combinación de errores inducidos térmicamente, inexactitudes del transductor y errores de compensación y FSS determinan la banda de error total del transductor de presión (TEB). La TEB es la máxima desviación de salida de la función de transferencia ideal en todo el rango compensado de temperatura y presión (Figura 5).

Figura 5: Las fuentes de error de un transductor de presión se suman al TEB. (Fuente de la imagen: Honeywell)

Transductores de presión de alta resistencia

Los transductores de presión utilizados en aplicaciones industriales están expuestos a líquidos y gases corrosivos y a grandes fluctuaciones de temperatura. Por ejemplo, los transductores utilizados en una aplicación de HVAC/R están expuestos a refrigerantes como butano, propano, amoníaco, CO₂, glicol más agua, o a una gama de refrigerantes de hidrofluorocarburos sintéticos como R134A, R407C, R410A, R448A, R32, R1234ze o R1234yf. Además, las temperaturas en los sistemas industriales HVAC/R abarcan el rango de temperatura industrial de -40 a +85 °C o incluso más.

Muchos transductores de presión de rango bajo y medio se fabrican con aleaciones como el latón y utilizan juntas tóricas y adhesivos para sellar los componentes electrónicos del sensor para evitar que los fluidos y gases entren en contacto con el diafragma. Cuando se usan con sustancias corrosivas, los sellos pueden resultar débiles y comenzar a gotear. Tales fugas pueden pasar desapercibidas al principio, lo que conduce a lecturas espurias y a un control deficiente del sistema. Eventualmente las fugas causan fallas al exponerse los electrónicos a los fluidos o gases corrosivos.

Para evitar estos potenciales modos de fallo, los diseñadores pueden usar la serie MIP de transductores de presión de de Honeywell. Estos transductores de presión de alta resistencia y aislados por el medio eliminan la junta tórica interna y los sellos adhesivos. Los transductores son de acero inoxidable y tienen un diseño soldado herméticamente en lugar de un sello de junta tórica. El diseño hace que los sensores MIP sean compatibles con una amplia gama de medios, incluyendo fluidos agresivos, agua y gases en un rango de temperaturas de -40 a 125 °C y presiones de 100 kilopascal (kPa) a 6 megapascal (mPa) (Figura 6).

Figura 6: Los transductores de presión de la serie MIP de Honeywell están hechos de acero inoxidable y utilizan un diseño soldado herméticamente que elimina la necesidad de sellos. El diseño hace que los sensores sean compatibles con una amplia gama de medios, incluyendo fluidos agresivos, agua y gases. (Fuente de la imagen: Honeywell)

La Serie MIP funciona con un suministro de 5 voltios y proporciona una salida ratiométrica en un rango de 0.5 a 4.5 voltios de CC. La TEB en todo el rango de temperatura del transductor de presión es de ±1.0 por ciento para las presiones ≤1 MPa y de 0.75 por ciento para las presiones. La precisión del transductor es de ±0.15 por ciento FSS (best fit straight line (BFSL)) (Figura 7), y tiene un tiempo de respuesta de 1 milisegundo (ms) y un índice de ráfagas de más de 20 MPa.

Figura 7: Los transductores de presión de la Serie MIP funcionan con un suministro de 5 voltios y proporcionan una salida ratiométrica en un rango de 0.5 a 4.5 voltios de CC. La TEB en todo el rango de temperatura del transductor de presión es de ±1.0 por ciento para las presiones ≤1 MPa y de 0.75 por ciento para las presiones. (Fuente de la imagen: Honeywell)

Además, la serie cuenta con una protección contra sobretensiones de ±40 voltios CC y diagnósticos de salida del sensor cuando se produce un fallo eléctrico (Tabla 1).

Tabla 1: Características de funcionamiento del transductor de presión de la serie MIP. (Fuente de la imagen: Honeywell)

Transductores de presión en aplicaciones de HVAC

Los transductores de presión juegan un papel clave en aplicaciones como los sistemas de HVAC, permitiendo un control preciso para maximizar la eficiencia mientras se reduce el uso de energía. Por ejemplo, consideremos el ciclo HVAC/R utilizado por una unidad de refrigeración industrial (Figura 8).

Figura 8: Diagrama que muestra el ciclo HVAC/R. Se pueden utilizar transductores de presión de alta resistencia en las salidas del compresor y del evaporador para controlar la presión del refrigerante y asegurar cambios óptimos de fase del refrigerante y, a su vez, determinar la eficiencia del ciclo. (Fuente de la imagen: Honeywell)

En la etapa de compresión, el vapor de baja presión del evaporador se comprime (causando el calentamiento) y se bombea al condensador. En el condensador, el vapor de alta temperatura libera su calor latente en el aire y se condensa en un líquido caliente. Una secadora elimina el agua del refrigerante. Luego, en el dispositivo de medición, el líquido caliente del condensador es empujado a través de una restricción de flujo que reduce su presión, obligando al refrigerante a ceder calor. Luego, dentro del evaporador, este líquido frío absorbe el calor del flujo de aire de retorno del condensador y se transforma en un vapor. Este vapor continúa absorbiendo calor hasta que llega al compresor donde se repite el ciclo. El aire frío del evaporador se utiliza para bajar la temperatura del contenedor refrigerado.

El ciclo de refrigeración funciona porque a medida que el refrigerante cambia de líquido a vapor y viceversa, hay una gran liberación o ganancia de energía latente. Para que funcione con eficiencia y eficacia, la presión en las diversas partes del sistema debe ser cuidadosamente vigilada y controlada. Esto es particularmente cierto cuando el refrigerante sufre los cambios de fase de líquido a vapor/vapor a líquido. Por ejemplo, a baja presión, el refrigerante cambia de líquido a gas y absorbe la energía latente (calor) a una temperatura inferior a la que tendría en otras circunstancias. Bajo alta presión, el gas refrigerante cambia de un gas a un líquido a temperaturas más altas de lo que lo haría de otra manera, liberando energía latente (calor).

Mediante la supervisión de la presión a la salida del compresor y del evaporador, el compresor y el dispositivo de medición se pueden configurar para controlar con precisión el flujo (y por lo tanto la presión) en las partes de baja y alta presión del ciclo, y a su vez la temperatura de la fase de refrigerante cambia para maximizar la eficiencia del sistema.

Conclusión:

Los transductores de presión de bandas extensométricas ofrecen una buena solución para la medición de la presión en los procesos industriales, pero los diseñadores de sistemas que probablemente estén expuestos a los extremos ambientales deben ser conscientes de las limitaciones de los modelos que utilizan juntas tóricas y adhesivos.

Diseñados para aplicaciones que pueden experimentar tales extremos, los transductores de presión de la serie MIP de Honeywell utilizan fabricación de acero inoxidable y un diseño soldado herméticamente. La construcción hace que los sensores MIP sean compatibles con una amplia gama de líquidos y gases industriales y asegura una larga vida útil incluso a temperaturas y presiones elevadas. Los transductores de presión de Honeywell también ofrecen alta precisión, respuesta rápida, buena estabilidad a largo plazo, y excelente inmunidad EMI.