Sensor de presión de gas

¿Qué es un sensor de presión de gas?

Un sensor de presión de gas es un dispositivo que convierte las señales de presión de gas en señales eléctricas medibles. Detecta los cambios en la presión del gas mediante componentes sensibles y los convierte en señales eléctricas estandarizadas, como voltaje, corriente o frecuencia, para su salida, que puede ser leída, registrada y monitoreada remotamente por un PLC, DCS, un instrumento de visualización digital o un sistema SCADA.

A diferencia de los manómetros mecánicos tradicionales con puntero, que solo pueden leer valores localmente, la principal ventaja de los sensores de presión de gas es que las señales se pueden transmitir, registrar e integrar en la automatización. Una sola línea de señal puede proporcionar información en tiempo real sobre los datos de presión in situ a la sala de control, lo que facilita la toma de decisiones. medición de presión una parte fundamental de la automatización industrial moderna y la fabricación inteligente.

Gracias a la madurez de la tecnología MEMS (Sistemas Microelectromecánicos), los sensores de presión de gas modernos están evolucionando rápidamente hacia la miniaturización, la alta precisión, el bajo consumo de energía y la producción en masa.

Principio de funcionamiento del sensor de presión de gas

El principio de funcionamiento fundamental de sensores de presión de gas El objetivo es convertir las señales de presión de gas en señales eléctricas medibles. La clave reside en aprovechar las propiedades físicas de los componentes sensibles a la presión, que varían con la misma, y ​​luego convertir esta variación en señales eléctricas estandarizadas mediante circuitos de salida.

Los principios de detección más utilizados actualmente incluyen los siguientes:

• Efecto piezorresistivo: Aprovechando el efecto piezorresistivo de los materiales semiconductores de silicio, cuando un chip de silicio se deforma bajo presión, su valor de resistencia cambia en consecuencia, y este cambio de resistencia se convierte en una salida de voltaje a través de un circuito de puente de Wheatstone. Esta es actualmente la tecnología más utilizada en el ámbito industrial, con las ventajas de alta sensibilidad, rápida respuesta y coste relativamente bajo, siendo adecuada para condiciones de trabajo generales con gases y líquidos en un rango de 0 a 1000 bar.

• Capacitivo Detecta cambios en los valores de capacitancia al modificar la distancia entre las placas del condensador mediante presión. Posee una gran resistencia a las sobretensiones y una buena estabilidad a largo plazo, lo que lo hace adecuado para medir presiones bajas y micropresiones o medios corrosivos.

  

• Piezoeléctricos: Algunos materiales (como los cristales de cuarzo) generan cargas bajo presión y emiten señales eléctricas, lo que los hace adecuados para la medición dinámica de la presión.
• Óptico: Utiliza los cambios en las características ópticas de las fibras ópticas o las rejillas de difracción bajo presión para realizar mediciones, lo que resulta adecuado para entornos con fuertes interferencias electromagnéticas.

Tipos de sensores de presión de gas

Según los diferentes estándares de medición, los sensores de presión de gas se dividen principalmente en las siguientes categorías:

• Sensor de presión absoluta: mide la presión relativa al vacío absoluto, comúnmente utilizado para la monitorización de la presión atmosférica y la medición de la altitud.
• Sensor de presión manométrica : mide la presión en relación con la presión atmosférica ambiente, como por ejemplo el sistema de monitorización de la presión de los neumáticos (TPMS).
• Sensor de presión diferencial: mide la diferencia entre dos puntos de presión y se utiliza ampliamente en el control del flujo de tuberías y en la monitorización de la caída de presión de los filtros.
• Sensor de presión sellado: Basado en una presión de referencia sellada fija, adecuado para escenarios industriales específicos.

Escenarios de aplicación típicos de los sensores de presión de gas

1. Industria del petróleo y el gas

La industria del petróleo y el gas es uno de los sectores de aplicación más exigentes para los sensores de presión de gas. La presión de trabajo de los gasoductos de larga distancia puede alcanzar los 35-100 bar, y los requisitos de presión nominal, certificación a prueba de explosiones y selección de materiales para los transmisores de presión son extremadamente estrictos. El proceso de transporte de gas natural abarca cinco rangos de presión: líneas troncales de transmisión de gas de larga distancia de alta presión (35-100 bar), gasoductos provinciales de transmisión de gas (16-35 bar), gasoductos urbanos de alta presión (1,6-4 bar), tuberías de distribución de presión media (0,1-1,6 bar) y usuarios finales de baja presión (inferior a 0,1 bar), cada uno con requisitos de instrumentación completamente diferentes.

En aplicaciones de petróleo y gas, la certificación a prueba de explosiones es el requisito principal para la selección. El gas natural pertenece al Grupo IIC, y se deben seleccionar instrumentos a prueba de explosiones con nivel Ex db IIC T6 para áreas peligrosas (Zona 1/Zona 2). Además, el gas natural suele contener trazas de sulfuro de hidrógeno (H₂S), que es corrosivo para las membranas de acero inoxidable comunes. Por lo tanto, es necesario utilizar acero inoxidable 316L para los componentes que contienen líquidos.

2. Automatización industrial y control de procesos

En el campo de la automatización industrial, los sensores de presión de gas se utilizan ampliamente en la monitorización de la presión en tuberías, el control de sistemas neumáticos, la supervisión del funcionamiento de compresores y otros escenarios. Ya sea para la monitorización de la presión en reactores químicos o el control de la presión en sistemas de compresores de aire, los sensores de presión de gas de alta fiabilidad son indispensables.

3. Electrónica Automotriz

La electrónica automotriz es un mercado de aplicación importante para los sensores de presión de gas, principalmente en lo que respecta al monitoreo de la presión del colector de admisión del motor (sensor MAP) y al sistema de monitoreo de la presión de los neumáticos (TPMS).

4. Equipos médicos

En el ámbito de la atención sanitaria, equipos como los respiradores, las máquinas de anestesia y los tensiómetros dependen de sensores de presión de gas de alta precisión para lograr un control preciso del flujo y la presión del gas.

5. Monitoreo ambiental y climatización (HVAC)

La medición de la presión en las estaciones meteorológicas, la detección de la presión en los sistemas de monitorización de la calidad del aire y la monitorización de la presión y la presión diferencial en los sistemas de climatización (HVAC) dependen de sensores de presión de gas.

Guía general para la selección de sensores de presión de gas

La selección correcta es clave para garantizar la precisión, la estabilidad y la seguridad de las mediciones. A continuación, se presentan seis elementos comunes que deben tenerse en cuenta al seleccionar:

1. Rango de presión

El rango es el parámetro de especificación más básico de los sensores de presión de gas. Al seleccionarlos, es necesario asegurarse de que el rango de medición del sensor cubra el valor máximo de la presión objetivo, dejando un margen de seguridad. El rango habitual varía de kPa a MPa.

2. Tipo de señal de salida

Seleccione la señal de salida adecuada según los requisitos de interfaz del sistema de control (PLC/DCS):

• Señal de corriente de dos hilos de 4-20 mA: la señal estándar más utilizada en campos industriales, con gran capacidad antiinterferencias y adecuada para transmisiones de larga distancia.
• Señal de voltaje de 0-5 V/0-10 V: adecuada para transmisiones de corta distancia.
• Comunicación digital HART: puede superponer comunicación digital en señales de 4-20 mA, admite configuración y diagnóstico de parámetros remotos.
• Modbus RS-485: Adecuado para redes multipunto y monitorización centralizada remota.

3. Compatibilidad con medios

Las propiedades químicas del gas medido determinan directamente la selección del material del sensor. Al medir gases corrosivos (como gas natural con H₂S, cloro, amoníaco, etc.), es necesario utilizar acero inoxidable 316L o aleaciones especiales para las piezas en contacto con el gas. Al medir gases especiales como el hidrógeno, también se deben considerar los problemas de fragilización por hidrógeno.

4. Nivel de precisión

La precisión de los sensores de presión de gas industriales se suele expresar como un porcentaje de la escala completa (% FS), con niveles de precisión comunes que incluyen ± 0,1% FS, ± 0,25% FS, ± 0,5% FS, etc. Para aplicaciones de alta precisión, como la medición comercial, se recomienda utilizar productos con una precisión de 0,1 o 0,25.

5. Certificación a prueba de explosiones

Los sensores de presión utilizados en entornos con gases inflamables y explosivos deben superar la certificación a prueba de explosiones correspondiente:

• Tipo a prueba de explosiones (Ex d): La carcasa puede soportar explosiones internas sin sufrir daños y no provocará explosiones externas.
• Tipo de seguridad intrínseca (Ex ia/Ex ib): Las chispas eléctricas o los efectos térmicos generados en condiciones normales de funcionamiento y de fallo no son suficientes para encender entornos explosivos.
• Al realizar la selección, es necesario especificar el tipo de gas peligroso, el grupo de temperatura y el nivel de zona (Zona 0/1/2) en el área de instalación.

6. Rango de temperatura de funcionamiento

Los sensores de presión de gas deben adaptarse a diferentes temperaturas ambientales. El rango típico de temperatura de funcionamiento para productos de grado industrial es de -40 °C a 85 °C. En entornos extremos con temperaturas altas o bajas, se deben seleccionar productos con amplio rango de temperatura.

Guía de selección especial para diferentes medios de gas

Las propiedades químicas de los distintos gases varían enormemente, lo que exige materiales, procesos y diseños muy diferentes para los sensores. A continuación, se presenta un análisis detallado de la selección de sensores comunes para la medición de la presión de gases industriales:

Sensor de presión de nitrógeno

El nitrógeno es uno de los gases inertes más utilizados en la industria, y la medición de su presión no es complicada, pero tiene requisitos especiales en situaciones de alta pureza y alta presión.

• Medición convencional: Para las tuberías de nitrógeno ordinarias, un sensor de presión universal es suficiente para cumplir con los requisitos.
• Nitrógeno de alta pureza: En industrias como la de semiconductores, que requieren una pureza extremadamente alta (como ≥ 99,999%), se deben seleccionar sensores fabricados completamente en acero inoxidable SUS 316L para evitar la contaminación por gases causada por las juntas de aleación de cobre y otros materiales.
• Cilindro de gas a alta presión: Al medir la presión de los cilindros de nitrógeno a alta presión, se recomienda elegir productos con un rango de 1,5 a 2 veces la presión de trabajo, y priorizar el llenado con líquido amortiguador (como glicerina) para hacer frente a los golpes de presión y las vibraciones durante el llenado y la descarga del cilindro de gas.
• Requisitos de protección contra explosiones: En áreas peligrosas como las petroquímicas, se deben seleccionar productos a prueba de explosiones certificados por ATEX o IECEx.

Sensor de presión de aire/oxígeno

La medición del aire es la más común, pero la medición del oxígeno puro tiene los requisitos de seguridad más exigentes y específicos de entre todos los gases.

• Aire comprimido: Al ser el medio de medición más común, se suele seleccionar un sensor de presión universal. En sistemas neumáticos como los compresores de aire, se recomienda elegir sensores con salidas de señal estándar, como 4-20 mA, para adaptarlos al control de frecuencia variable.
• Oxígeno: El oxígeno en sí mismo no es inflamable, pero posee fuertes propiedades que favorecen la combustión. A alta presión, reacciona violentamente con sustancias orgánicas como aceites y grasas, lo que supone un riesgo de explosión.
• Requisito fundamental: Tratamiento sin aceite: Esta es la máxima prioridad para la selección de oxígeno. Los sensores deben producirse, limpiarse y empaquetarse mediante un proceso sin aceite.
• Fluido de llenado especial: Para evitar la reacción de oxidación entre el aceite de silicona común y el oxígeno, el sensor debe llenarse con aceite inerte (como Fluorolubricant) en su interior (Oil®).

Sensor de presión de dióxido de carbono (sensor de presión de CO₂)

La medición de la presión del CO₂ se divide principalmente en dos direcciones: la monitorización ambiental y la refrigeración industrial, con diferencias significativas en los requisitos técnicos.

• Monitoreo ambiental: mide principalmente concentraciones bajas (como 400-10000 ppm), a menudo utilizando sensores de concentración de CO₂ en lugar de transmisores de presión puros.
• Refrigeración industrial: En los sistemas de refrigeración con CO₂, la presión es muy alta (normalmente superior a 30 bares), por lo que deben seleccionarse sensores de presión diseñados específicamente para alta presión para garantizar que su resistencia a la presión y sus capacidades de protección contra sobrecargas cumplan con los requisitos de presión extrema.

Sensor de presión de hidrógeno

• La medición de hidrógeno supone un reto importante en el campo de los instrumentos industriales, cuyo objetivo principal es resolver los dos grandes problemas de la "fragilización por hidrógeno" y la "permeación de hidrógeno".
• Fragilización por hidrógeno: Los átomos de hidrógeno se infiltran en la red metálica, lo que provoca que la membrana se vuelva frágil y se fracture repentinamente bajo una tensión muy inferior a su resistencia normal.
• Permeación de hidrógeno: Los átomos de hidrógeno penetrarán la membrana de acero inoxidable y entrarán en la cámara interna de aceite de silicona para formar burbujas, lo que provocará una deriva del punto cero y del rango del sensor, lo que en última instancia conducirá a una falla.
• Membrana chapada en oro: El chapado en oro de la superficie de la membrana de acero inoxidable es un método eficaz para suprimir la permeación de hidrógeno.
• Materiales especiales: En entornos de hidrógeno de alta presión o alta pureza, puede ser necesario utilizar materiales con mayor resistencia a la fragilización por hidrógeno, como Hastelloy e Inconel.

⚠️ Está estrictamente prohibido utilizar núcleos rellenos de aceite comunes: los sensores de presión rellenos de aceite estándar están estrictamente prohibidos para su uso en hidrógeno o gases mixtos con una concentración de hidrógeno superior al 30 %, ya que su fallo es sistemático.

Sensor de presión de cloro/gas corrosivo

Para este tipo de gas, la selección del material del sensor determina directamente la seguridad y la fiabilidad de la medición.

• Gases corrosivos (como el cloro gaseoso Cl₂): gases tóxicos de color amarillo verdoso a temperatura y presión ambiente. El cloro gaseoso seco sigue siendo corrosivo para el acero, el hierro, etc., pero al contener una pequeña cantidad de vapor de agua, genera ácido hipocloroso y ácido clorhídrico altamente corrosivos. El diafragma de presión y la carcasa deben estar fabricados con materiales resistentes a la corrosión, como aleación de tantalio o titanio.
• Otros gases corrosivos (como el amoníaco NH₃ y el sulfuro de hidrógeno H₂S): Al igual que con el cloro, se deben utilizar membranas recubiertas de Hastelloy o PTFE (politetrafluoroetileno) para resistir la corrosión electroquímica. Al medir gas natural que contiene H₂S, se debe seleccionar un manómetro especializado resistente al azufre.

Sensor de presión de gas natural

La medición del gas natural se centra principalmente en la prevención de explosiones y en los materiales, con un rango de presión que abarca desde gasoductos de larga distancia hasta el gas residencial.

• Certificación a prueba de explosiones: El gas natural pertenece al grupo de gases peligrosos IIC, y en las zonas 1/2 se deben seleccionar instrumentos a prueba de explosiones de alto nivel, como el Ex db IIC T6.
• Requisitos de los materiales: Si el gas natural contiene sulfuro de hidrógeno (H₂S), es necesario mejorar el material en contacto con el líquido para evitar el agrietamiento por corrosión bajo tensión.
• Amplia cobertura: desde la transmisión de gas a alta presión (>100 bar) hasta la micropresión del gas urbano (<30 mbar), es necesario seleccionar el rango y la precisión adecuados según las condiciones de funcionamiento específicas.

Principales desafíos y puntos clave de selección de tipos de gas

• Se requiere nitrógeno de alta pureza (N₂), y se necesita acero inoxidable 316L para el impacto a alta presión de nitrógeno de alta pureza; seleccione un rango de 1,5 a 2 veces y un tipo a prueba de golpes lleno de líquido para escenarios de alta presión.
• Los riesgos de seguridad del aire/oxígeno (O₂) (asistencia a la combustión) deben tratarse con "prohibición de aceite"; llenado interno con aceite inerte; adopción de técnicas de limpieza especializadas.
• Sensor de concentración para el monitoreo rutinario de dióxido de carbono (CO₂) a alta presión (sistema de refrigeración); El sistema de refrigeración debe elegir un tipo específico de alta presión.
• Fragilización por hidrógeno (H₂) y recubrimiento de oro de la membrana de permeación de hidrógeno; selección de aleaciones especiales para escenarios de alta presión; está estrictamente prohibido el uso de núcleos comunes rellenos de aceite.
• La membrana y la carcasa para el gas cloro (Cl₂), altamente corrosivo, están hechas de materiales resistentes a la corrosión, como aleación de tantalio o titanio.
• El riesgo de explosión de gas natural y corrosión que contiene azufre debe superar la certificación a prueba de explosiones (Ex db IIC T6); cuando contenga H₂S, se deben seleccionar materiales resistentes al azufre.

Precauciones de instalación

Una instalación correcta es clave para garantizar el funcionamiento estable a largo plazo de los sensores de presión de gas:

1. Al medir la presión del gas, se debe abrir la llave de presión en la parte superior de la tubería de proceso, y el sensor también debe instalarse en la parte superior de la tubería para facilitar el reflujo del líquido acumulado hacia la tubería.
2. Antes de la instalación, es necesario comprobar que el tamaño de la interfaz coincida. Si no coincide, deberá utilizarse un adaptador adecuado.
3. Evite instalarlo dentro del rango de radiación de fuentes de calor o cerca de fuentes de vibración intensas. Si es necesario, instale cubiertas aislantes o dispositivos de reducción de vibraciones.
4. Los cables de señal no deben mezclarse con los cables de alimentación, y debe evitarse la fuerte interferencia electromagnética alrededor de los sensores.
5. La instalación debe realizarse sin presión ni suministro eléctrico.
6. Para fluidos libres de oxígeno y otros fluidos libres de aceite, es necesario asegurarse de que todas las piezas en contacto con el fluido se sometan a una limpieza exhaustiva para eliminar el aceite antes de la instalación.

Como componente clave de los sistemas modernos de medición y control industrial, los sensores de presión de gas impulsan el desarrollo de la automatización y la inteligencia en diversas industrias gracias a los avances tecnológicos. Ya sea en oleoductos y gasoductos de larga distancia, control de procesos químicos o electrónica automotriz y equipos médicos, las soluciones de medición de presión de gas de alta precisión y fiabilidad son indispensables.

En la selección específica, además de parámetros comunes como el rango, la precisión y la señal de salida, el tipo de gas que se mide suele ser el factor clave que determina el material del sensor, el proceso y el diseño de seguridad. Desde el aire comprimido convencional hasta gases especiales como el oxígeno, el hidrógeno y el cloro, cada gas tiene requisitos técnicos únicos para su equipo de medición.

Silverinstruments lleva muchos años inmersa en el sector de la instrumentación industrial, comprometida con ofrecer a sus clientes transmisores de presión de alta calidad. Nuestros sensores de presión de gas abarcan múltiples rangos, señales de salida y niveles de protección contra explosiones, satisfaciendo las necesidades de aplicación en una amplia gama de sectores, desde la industria general hasta la de petróleo y gas, desde temperatura ambiente hasta un amplio rango de temperaturas, y desde áreas comunes hasta zonas peligrosas con riesgo de explosión. Asimismo, para gases especiales como oxígeno, hidrógeno, cloro, etc., ofrecemos soluciones personalizadas con tratamiento antiadherente, recubrimiento en oro y materiales de aleación especiales.