Un transmisor de presión convierte la presión de un líquido, gas o vapor en una señal eléctrica que puede ser leída por un sistema de control, un PLC, un indicador, un registrador de datos o una plataforma de supervisión. Es uno de los instrumentos más utilizados en la industria porque permite controlar, automatizar y proteger procesos donde la presión es una variable crítica.
Para medir la presión con un transmisor de presión, también llamado en algunos casos sensor de presión o transductor de presión, se necesita un elemento sensible capaz de detectar la presión aplicada o una variación de presión. Ese elemento convierte la deformación, fuerza o desplazamiento producido por la presión en una señal eléctrica proporcional.
Existen varios principios de medición. Los cuatro más importantes son:
- sensores resistivos;
- sensores piezoresistivos;
- sensores capacitivos;
- sensores piezoeléctricos.
Cada tecnología tiene ventajas, límites y aplicaciones típicas. La elección depende del rango de presión, el tipo de fluido, la exactitud requerida, la temperatura, la dinámica del proceso, la compatibilidad química y la señal de salida necesaria.
Sensor, transductor y transmisor de presión: ¿son lo mismo?
En la práctica, los términos sensor de presión, transductor de presión y transmisor de presión suelen utilizarse de forma cercana, pero no siempre significan exactamente lo mismo.
El sensor de presión es el elemento que detecta físicamente la presión. Puede estar basado en una membrana, un chip de silicio, una galga extensométrica, una celda capacitiva o un cristal piezoeléctrico.
El transductor de presión convierte esa magnitud física en una señal eléctrica básica, por ejemplo una variación de resistencia, tensión o carga eléctrica.
El transmisor de presión incluye normalmente el sensor, la electrónica de acondicionamiento, la compensación de temperatura, la linealización y una señal de salida industrial estandarizada, como 4-20 mA, 0-10 V, 0,5-4,5 V, IO-Link, HART u otras señales digitales según la aplicación.
En una instalación industrial, el transmisor es el instrumento completo que se instala en el proceso y transmite una señal fiable al sistema de control.
¿Qué mide realmente un transmisor de presión?
Transmisor de presión diferencial modelo DPT-20 con conexiones bridadas y capilares: WIKA ha desarrollado una versión específica para filtros en circuitos de refrigeración por agua de mar.
Un transmisor puede medir diferentes tipos de presión según su diseño:
- presión relativa o manométrica;
- presión absoluta;
- presión diferencial;
- presión negativa o vacío relativo;
- presión dinámica en aplicaciones específicas.
La presión relativa se mide respecto a la presión atmosférica. Es la más habitual en aplicaciones industriales. La presión absoluta se mide respecto al vacío absoluto y se utiliza cuando la medición debe ser independiente de las variaciones atmosféricas. La presión diferencial mide la diferencia entre dos puntos del proceso, por ejemplo antes y después de un filtro o entre dos tomas de presión en una medición de caudal.
El principio físico del sensor puede ser similar, pero la referencia de medición cambia. Por eso, al seleccionar un transmisor, no basta con definir el rango de presión: también hay que definir si la presión será relativa, absoluta o diferencial.
Cómo convierte la presión en una señal eléctrica
El funcionamiento general de un transmisor de presión puede resumirse en cuatro etapas.
Primero, la presión del proceso actúa sobre una membrana, un diafragma o un elemento sensible. Esta presión genera una deformación, desplazamiento, esfuerzo mecánico o variación de carga.
Después, el principio de medición convierte esa respuesta mecánica en una magnitud eléctrica. Según la tecnología, puede ser una variación de resistencia, una variación de capacidad, una señal piezoeléctrica o una variación en un puente de medición.
A continuación, la electrónica interna acondiciona la señal. Esto incluye amplificación, filtrado, compensación de temperatura, linealización y calibración.
Finalmente, el transmisor entrega una señal de salida proporcional a la presión medida. Esta señal puede enviarse a un PLC, sistema SCADA, indicador local, registrador o sistema de mantenimiento predictivo.
Medida con transmisor de presión resistivo
El principio de medición resistivo se basa en la variación de la resistencia eléctrica provocada por una deformación mecánica.
La resistencia de un conductor eléctrico puede expresarse mediante la relación:
R = ρ · L / A
Donde:
- R es la resistencia eléctrica;
- ρ es la resistividad del material;
- L es la longitud del conductor;
- A es la sección transversal del conductor.
Cuando un conductor se estira, su longitud aumenta y su sección disminuye. Como consecuencia, la resistencia eléctrica aumenta. Cuando se comprime, ocurre lo contrario: la longitud efectiva disminuye, la sección aumenta y la resistencia puede reducirse.
Para aplicar este principio a la medición de presión, se utiliza un cuerpo elástico que se deforma de forma controlada cuando recibe presión. En muchos casos, ese cuerpo es una membrana con una zona fina diseñada para deformarse dentro de límites definidos.
Sobre esta membrana se colocan galgas extensométricas, es decir, conductores metálicos dispuestos en forma de meandro. Cuando la membrana se deforma, las galgas también se deforman. Algunas se sitúan en zonas de dilatación y otras en zonas de compresión. Así, unas aumentan su resistencia y otras la reducen.
El papel del puente de Wheatstone
Para obtener una medición precisa, las galgas extensométricas suelen conectarse en un puente de Wheatstone. Esta configuración permite detectar pequeñas variaciones de resistencia y convertirlas en una señal eléctrica proporcional a la presión.
Normalmente, cuatro galgas se colocan sobre la membrana. La disposición permite compensar ciertos efectos no deseados, mejorar la sensibilidad y aumentar la estabilidad de la señal.
El puente de Wheatstone es especialmente útil porque las variaciones de resistencia son muy pequeñas. Sin una configuración de medición adecuada, sería difícil obtener una señal estable y repetible.
Los sensores resistivos son robustos y adecuados para muchas aplicaciones industriales, siempre que la membrana, las galgas y los materiales en contacto con el medio sean compatibles con las condiciones del proceso.
Transmisor de presión piezoresistivo
El principio de un transmisor de presión piezoresistivo es similar al de un sensor resistivo, pero con una diferencia esencial: en lugar de utilizar galgas metálicas, utiliza semiconductores.
En los sensores piezoresistivos, la deformación modifica la resistividad del material semiconductor. El efecto piezoresistivo en semiconductores puede ser entre 10 y 100 veces más intenso que en galgas metálicas. Esto permite obtener una señal de medición muy sensible, incluso para rangos de presión bajos.
Normalmente, las resistencias piezoresistivas se integran como microestructuras en una membrana de silicio. La membrana y los elementos sensibles forman parte del mismo chip. Cuatro resistencias suelen conectarse en puente de Wheatstone para generar una señal proporcional a la presión.
Esta tecnología es muy utilizada en transmisores compactos y sensores de alta sensibilidad.
Encapsulado y transmisión indirecta de la presión
Aunque los sensores piezoresistivos ofrecen gran sensibilidad, las microestructuras de silicio no siempre pueden estar en contacto directo con el medio de proceso. Muchos fluidos industriales pueden ser corrosivos, viscosos, contaminados, calientes o incompatibles con el chip.
Por esta razón, en muchas aplicaciones el chip piezoresistivo se encapsula y la presión se transmite de forma indirecta. Esto puede hacerse mediante una membrana metálica de separación y un fluido de transmisión, como aceite de llenado.
El proceso funciona así:
- el fluido de proceso presiona una membrana metálica;
- la membrana transmite la presión al fluido interno;
- el fluido de transmisión actúa sobre el chip piezoresistivo;
- el chip convierte la presión en una señal eléctrica.
Este diseño protege el sensor y permite utilizar la tecnología piezoresistiva en aplicaciones industriales exigentes.
Ventajas y límites de los sensores piezoresistivos
Los sensores piezoresistivos ofrecen varias ventajas:
- alta sensibilidad;
- buena respuesta para rangos bajos;
- diseño compacto;
- señal relativamente intensa;
- posibilidad de integración en transmisores pequeños;
- buena repetibilidad cuando están correctamente compensados.
Sin embargo, también presentan un punto de atención importante: la sensibilidad a la temperatura. La señal piezoresistiva puede verse afectada por variaciones térmicas, por lo que cada sensor requiere una compensación de temperatura precisa.
En transmisores industriales, esta compensación se realiza mediante electrónica interna y calibración individual. Esto permite obtener una señal estable en el rango de temperatura especificado.
Sensores de presión capacitivos
El principio de medición capacitivo se basa en la variación de la capacidad de un condensador. Un condensador simple está formado por dos placas conductoras separadas por una distancia determinada.
La capacidad puede expresarse mediante la relación:
C = ε · A / d
Donde:
- C es la capacidad;
- ε es la constante dieléctrica del material entre las placas;
- A es la superficie activa de las placas;
- d es la distancia entre ellas.
En un sensor capacitivo de presión, una de las placas del condensador suele ser una membrana metálica o una superficie metalizada que se deforma bajo presión. Cuando la presión aumenta, la membrana se aproxima a la placa fija. La distancia entre ambas disminuye y la capacidad aumenta.
Como la superficie y el material dieléctrico permanecen prácticamente constantes, la variación de capacidad puede relacionarse con la presión aplicada.
Ventajas de la medición capacitiva
Los sensores capacitivos son especialmente adecuados para medir rangos de presión bajos. Su alta sensibilidad permite detectar pequeñas deformaciones de la membrana y, por tanto, pequeñas variaciones de presión.
También ofrecen una ventaja importante frente a sobrecargas. En determinados diseños, la membrana puede apoyarse sobre una placa estática cuando la presión excede el rango previsto. Esto limita la deformación máxima y mejora la seguridad frente a sobrepresión.
Los sensores capacitivos se utilizan con frecuencia en aplicaciones como:
- baja presión;
- presión diferencial baja;
- HVAC;
- salas limpias;
- filtración;
- ventilación;
- aplicaciones de laboratorio;
- mediciones donde se requiere alta sensibilidad.
Sus limitaciones prácticas dependen de los materiales de la membrana, las técnicas de unión, el sellado, la compatibilidad con el medio y la estabilidad frente a temperatura y humedad.
Sensores de presión piezoeléctricos
Los sensores piezoeléctricos se basan en un efecto físico presente en ciertos cristales no conductores, como el cuarzo.
Cuando un cristal piezoeléctrico se comprime o somete a una fuerza mecánica, se produce una polarización eléctrica en sus superficies. Esta polarización genera una carga eléctrica proporcional a la fuerza aplicada.
En medición de presión, la presión ejerce una fuerza sobre el elemento piezoeléctrico. La carga generada puede captarse, amplificarse y convertirse en una señal eléctrica.
La polaridad de la señal depende de la dirección de la fuerza, y la intensidad de la carga depende de la magnitud de la presión dinámica aplicada.
Por qué los sensores piezoeléctricos se usan para presión dinámica
El efecto piezoeléctrico es muy adecuado para medir variaciones rápidas de presión, impactos, pulsaciones, vibraciones o fenómenos transitorios. Sin embargo, no es la mejor opción para medir presión estática durante largos periodos.
Esto se debe a que la carga generada por el cristal tiende a disiparse con el tiempo. Por tanto, el sensor piezoeléctrico responde muy bien a cambios rápidos, pero no mantiene una señal estable indefinidamente ante una presión constante.
En la práctica, los sensores piezoeléctricos se reservan para aplicaciones especiales, como:
- medición de presión dinámica;
- procesos de combustión;
- ensayos de motores;
- ondas de presión;
- golpes de ariete;
- análisis de vibraciones;
- mediciones transitorias de alta velocidad.
Para la mayoría de las aplicaciones industriales de presión estática o lenta, se utilizan tecnologías resistivas, piezoresistivas o capacitivas.
Comparativa de principios de medición de presión
| Principio de medición | Magnitud eléctrica medida | Ventaja principal | Aplicaciones típicas |
|---|---|---|---|
| Resistivo | Variación de resistencia en galgas metálicas | Robustez y estabilidad | Presión industrial general |
| Piezoresistivo | Variación de resistividad en semiconductor | Alta sensibilidad y diseño compacto | Rangos bajos y transmisores compactos |
| Capacitivo | Variación de capacidad | Muy alta sensibilidad, buena sobrecarga | Baja presión, HVAC, presión diferencial |
| Piezoeléctrico | Carga eléctrica generada por el cristal | Excelente respuesta dinámica | Presión dinámica, vibraciones, transitorios |
Señales de salida de un transmisor de presión
El sensor interno no suele entregar directamente una señal utilizable por el sistema de control. La electrónica del transmisor acondiciona la señal y la convierte en una salida industrial.
Las señales más habituales son:
- 4-20 mA, muy utilizada en automatización industrial;
- 0-10 V, frecuente en aplicaciones de control;
- 0,5-4,5 V, habitual en sensores compactos;
- IO-Link, para comunicación digital punto a punto;
- HART, para comunicación superpuesta sobre señal analógica;
- salidas digitales específicas según el equipo o sector.
La señal de salida debe seleccionarse según el sistema receptor, la distancia de cableado, el entorno electromagnético, el tipo de alimentación y las necesidades de diagnóstico.
Exactitud, error y compensación de temperatura
La exactitud de un transmisor de presión no depende únicamente del sensor. También influyen la linealidad, la histéresis, la repetibilidad, la estabilidad a largo plazo, la temperatura ambiente, la temperatura del medio y la electrónica de compensación.
Los errores más comunes en transmisores de presión suelen estar relacionados con:
- error de punto cero;
- error de span;
- no linealidad;
- histéresis;
- deriva térmica;
- deriva a largo plazo;
- montaje incorrecto;
- selección de rango inadecuado.
Por eso, los transmisores industriales incorporan compensación, calibración y, en algunos casos, ajuste electrónico. En aplicaciones críticas, también puede ser necesario realizar verificaciones periódicas o calibraciones trazables.
Cómo ajustar el punto cero y el span de un transmisor de presión
El punto cero y el span son dos parámetros fundamentales en un transmisor de presión.
El punto cero define la señal de salida cuando la presión corresponde al inicio del rango. Por ejemplo, en un transmisor 0…10 bar con salida 4-20 mA, el punto cero corresponde normalmente a 0 bar y 4 mA.
El span define la amplitud del rango de medición. En el mismo ejemplo, 10 bar corresponden a 20 mA. El span es la diferencia entre el valor superior y el valor inferior del rango.
Ajustar el cero y el span permite asegurar que la señal eléctrica corresponde correctamente al rango de presión configurado.
De forma general, el procedimiento consiste en:
- aplicar la presión inferior del rango;
- verificar la señal de salida correspondiente;
- ajustar el punto cero si es necesario;
- aplicar la presión superior del rango;
- verificar la señal de salida correspondiente;
- ajustar el span si es necesario;
- repetir la comprobación para confirmar la linealidad.
En transmisores modernos, estos ajustes pueden realizarse mediante potenciómetros, botones, software, interfaz digital, HART, IO-Link u otras herramientas de configuración según el modelo.
Cómo elegir un transmisor de presión
La elección de un transmisor de presión debe basarse en las condiciones reales de aplicación. Una selección incorrecta puede generar errores de medición, fallos prematuros o señales inestables.
Los criterios principales son:
- tipo de presión: relativa, absoluta o diferencial;
- rango de presión;
- sobrepresión máxima admisible;
- presión de rotura;
- exactitud requerida;
- temperatura del medio;
- temperatura ambiente;
- compatibilidad química del fluido;
- tipo de conexión al proceso;
- tipo de conexión eléctrica;
- señal de salida;
- tiempo de respuesta;
- estabilidad a largo plazo;
- protección contra vibraciones;
- clase de protección IP;
- requisitos higiénicos o sanitarios;
- homologaciones para zonas peligrosas si procede.
En aplicaciones con medios corrosivos, altas temperaturas, pulsaciones, vibraciones o requisitos higiénicos, puede ser necesario seleccionar una versión específica o utilizar accesorios como separadores de membrana.
Aplicaciones típicas de los transmisores de presión
Los transmisores de presión se utilizan en prácticamente todos los sectores industriales.
Algunas aplicaciones frecuentes son:
- hidráulica móvil;
- maquinaria industrial;
- bombas y compresores;
- sistemas HVAC y refrigeración;
- industria farmacéutica;
- alimentación y bebidas;
- tratamiento de agua y aguas residuales;
- química y petroquímica;
- generación de energía;
- gases industriales;
- automatización de procesos;
- monitorización remota;
- mantenimiento predictivo.
En cada caso, el transmisor debe adaptarse al entorno. Un transmisor para refrigeración no tiene las mismas exigencias que uno para una línea farmacéutica higiénica, un sistema hidráulico móvil o una instalación química con medios agresivos.
Errores frecuentes al seleccionar o instalar un transmisor de presión
Los errores más comunes son:
- elegir un rango demasiado amplio o demasiado estrecho;
- confundir presión relativa y presión absoluta;
- no considerar la temperatura del medio;
- ignorar pulsaciones o picos de presión;
- seleccionar una conexión incompatible;
- no verificar la compatibilidad química;
- usar una señal de salida no compatible con el sistema de control;
- instalar el transmisor en una posición expuesta a vibraciones excesivas;
- no proteger el sensor contra sobrepresión;
- no realizar ajuste o verificación después de la instalación.
Estos errores pueden afectar a la exactitud, la estabilidad de señal y la vida útil del instrumento.
Conclusión
Un transmisor de presión convierte la presión de un fluido en una señal eléctrica proporcional. Para ello utiliza un elemento sensible y una electrónica de acondicionamiento que transforma una deformación, variación de resistencia, variación de capacidad o carga eléctrica en una señal utilizable por sistemas industriales.
Los principios más importantes son los sensores resistivos, piezoresistivos, capacitivos y piezoeléctricos. Los sensores resistivos y piezoresistivos se basan en variaciones de resistencia, los capacitivos en variaciones de capacidad y los piezoeléctricos en la carga generada por ciertos cristales sometidos a presión dinámica.
La elección de la tecnología adecuada depende del rango, la exactitud, el tipo de presión, el fluido, la temperatura, la dinámica del proceso y la señal de salida. Comprender estos principios permite seleccionar un transmisor más fiable, mejorar la calidad de la medición y evitar errores de instalación o interpretación.
Nota
En el sitio web de WIKA encontrarás más información sobre el transmisor de presión diferencial modelo DPT-20 y el separador de membrana modelo 990.28. También se ofrece una visión general de otras soluciones de medición para los sectores de generación de energía, agua y aguas residuales. Si tienes alguna pregunta, tu contacto en WIKA estará encantado de ayudarte.
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FAQ
1. ¿Qué es un transmisor de presión?
Un transmisor de presión es un instrumento que mide la presión de un fluido y la convierte en una señal eléctrica proporcional para un sistema de control o supervisión.
2. ¿Cómo funciona un transmisor de presión?
La presión deforma un elemento sensible, como una membrana. Esa deformación se convierte en una señal eléctrica mediante un principio resistivo, piezoresistivo, capacitivo o piezoeléctrico.
3. ¿Cuál es la diferencia entre sensor y transmisor de presión?
El sensor detecta la presión. El transmisor incluye el sensor y la electrónica que acondiciona la señal, la compensa y la convierte en una salida industrial como 4-20 mA o 0-10 V.
4. ¿Qué es un sensor de presión resistivo?
Es un sensor que mide la variación de resistencia de galgas extensométricas cuando una membrana se deforma por efecto de la presión.
5. ¿Qué es un transmisor piezoresistivo?
Es un transmisor que utiliza resistencias semiconductoras integradas en una membrana de silicio. La presión modifica la resistividad del material y genera una señal proporcional.
6. ¿Qué es un sensor capacitivo de presión?
Es un sensor que mide la variación de capacidad entre dos placas. La presión desplaza una membrana y cambia la distancia entre las placas del condensador.
7. ¿Para qué se utilizan los sensores piezoeléctricos?
Se utilizan principalmente para medir presiones dinámicas, vibraciones, pulsaciones o eventos transitorios. No son la mejor opción para presión estática a largo plazo.
8. ¿Qué significa ajustar el punto cero de un transmisor?
Ajustar el punto cero significa alinear la señal de salida del transmisor con el valor inferior del rango de presión.
9. ¿Qué significa ajustar el span de un transmisor?
Ajustar el span significa ajustar la amplitud del rango de medición para que el valor superior de presión corresponda correctamente a la señal de salida máxima.
10. ¿Qué señal de salida es más común en transmisores de presión industriales?
La señal 4-20 mA es una de las más utilizadas en automatización industrial por su robustez, facilidad de diagnóstico y buena transmisión a distancia.
Este vídeo explica las numerosas ventajas de la medición de presión diferencial