Tecnología de Control 2º año Automotores E.E.T. Nº 2 “Ing. César Cipolletti”

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UNIDAD 4

SENSORES DE PRESIÓN

INTRODUCCIÓN La presión puede definirse como una fuerza por unidad de área o superficie: Generalmente se mide comparativamente, buscando el equilibrio con la presión ejercida por una fuerza conocida (de una columna líquida, un resorte, un émbolo cargado con un peso o cualquier otro elemento que pueda sufrir una deformación cualitativa cuando se le aplica la presión).- MEDIDAS DE PRESIÓN

• Presión absoluta: mide respecto al cero absoluto de presión (A y A').- • Presión atmosférica: es la presión ejercida por la atmósfera terrestre.- • Presión relativa: es la diferencia entre la presión absoluta y la atmosférica (B,

B’ y B’’).- • Depresión relativa: es la diferencia de presiones entre la presión atmosférica

existente y la presión absoluta, es decir, es la presión medida por debajo de la atmosférica (D, D' y D").-

• Presión diferencial: es la diferencia entre dos presiones, (C y C‘).-

superficiefuerzapresión =

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UNIDADES DE PRESIÓN

Psi In. de H2O

In. de Hg Atm Kg/cm2 cm.de

H2O cm. de

Hg Bar Pa

Psi 1 27,68 2,036 0,0680 0,0703 70,31 51,72 0,0689 6894,76

In. de H2O 0,0361 1 0,0735 0,0024 0,0025 2,540 1,868 0,0024 249

In. de Hg 0,4912 13,6 1 0,0334 0,0345 34,53 25,4 0,0338 3386,39

Atm 14,7 406,79 29,92 1 1,033 1033 760 1,0132 1,0133 x 105

Kg/cm2 14,22 393,7 28,96 0,9678 1 1000 735,6 0,98 98066

cm. de H2O 0,0142 0,3937 0,0289 0,00096 0,0010 1 0,7355 0,0009 98,06

cm. de Hg 0,0193 0,5353 0,0393 0,0013 0,0013 1,359 1 0,0013 133,322

Bar 14,5 401 29,53 0,987 1,02 1020 750 1 105

Pa 0,00014 0,0040 0,00029 0,987 x 10-5

0,102 x 10-4 0,01 0,0075 10-5 1

ALGUNOS VALORES DE REFERENCIA EN EL AUTOMÓVIL

Medición de presiones Valores Sistema de control asociado

Presión de admisión o de sobrealimentación 1 a 5 bares inyección de gasolina

Presión de frenado 10 bares frenos electroneumáticos Presión de resorte neumático 16 bares suspensión neumática

Presión de neumáticos 5 bares control y regulación de la presión de inflado

Presión de alimentación hidráulica @ 200 bares ABS, servodirección Presión de amortiguadores > 200 bares regulación de suspensiónPresión del agente frigorífico 35 bares aire acondicionado Presión de modulación 35 bares cambios automáticos Sobrepresión/depresión dentro del depósito de combustible 0,5 bares diagnosis de a bordo

Presión en la cámara de combustión @ 100 bares detección de fallos del encendido y de picado

Presión dentro de un elemento de bomba de inyección diesel @ 1000 bares regulación electrónica

diesel Presión del combustible en sistemas "Common Rail" diesel

1500 a 1800 bares "Common Rail" diesel

Presión del combustible en sistemas "Common Rail" gasolina @ 100 bares "Common Rail" gasolina

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MEDIDORES CLÁSICOS DE PRESIÓN • Mecánicos de Medida Directa: miden la presión comparándola con la ejercida por un líquido.- El desplazamiento puede indicarse por un sistema de flotador sobre una escala.-

• Neumáticos: utilizan componentes mecánicos que procuran el equilibrio entre las fuerzas de expansión provocadas por la presión a medir, y las fuerzas de restitución del propio elemento sensor (tubo Bourdon, cápsulas selladas al vacío, fuelles, etc.).- SENSORES DE PRESIÓN UTILIZADOS ACTUALMENTE EN EL AUTOMÓVIL El método de detección de presiones más usado actualmente (también en el automóvil) utiliza, para la obtención de señales, una etapa mecánica intermedia constituida por una delgada membrana que en uno de sus lados está sometida a la presión a medir, y se deforma más o menos bajo su acción. El diámetro y el grosor de esta membrana pueden ser adaptados a los diferentes márgenes de presión. Para la medición de presiones bajas hay que utilizar membranas relativamente grandes, cuya deformación puede encontrarse dentro del margen de 1 a 0,1 mm. Por el contrario, las presiones altas exigen membranas más gruesas y de reducido diámetro, que en general se deforman sólo pocos µm.- La curvatura de la membrana depende en realidad de la diferencia de presión existente entre sus lados superior e inferior. Por consiguiente, dependiendo de esto, se pueden obtener sensores para medir presiones absolutas, relativas o diferenciales.-

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• Sensores de presión de capas gruesas: Se utilizan como componentes independientes o integrados, como alternativa a los sensores de presión micromecánicos, (p. ej. en los sistemas de gestión del motor M y ME-Motronic).- El sensor está dividido en una célula de medición de presión y en un compartimiento para el circuito de evaluación. Los dos elementos están dispuestos sobre un substrato cerámico común.-

La célula de medición consiste en una membrana de capas gruesas "campaniforme" que encierra una presión de referencia de 0,1 bares. La curvatura de la membrana varía en función del nivel de la presión a medir. Cuatro elementos piezoresistivos montados en puente están dispuestos en la membrana: dos de estos elementos son activos, se encuentran en el centro de la membrana y su conductibilidad varía bajo el efecto de un esfuerzo mecánico (presión); los otros dos son pasivos (de referencia), se encuentran sobre el borde de la membrana, y actúan en primer lugar como resistencias complementarias del puente para la compensación térmica y apenas participan en la generación de la señal de salida.- El desplazamiento de la membrana bajo el efecto de una presión ocasiona una variación en los elementos piezoresistivos. De esta forma se obtiene una tensión a la salida del circuito de evaluación, que es proporcional a la presión medida.- En el automóvil se emplean como sensor de presión de admisión o de sobrealimentación, y como sensor de presión ambiente.-

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• Sensores de presión micromecánicos: El componente esencial del sensor de presión micromecánico es el elemento denominado "célula del sensor". Ella consta de un chip de silicio micromecánico que lleva grabada una membrana delgada. Sobre la membrana hay dispuestas cuatro resistencias de medición, cuya resistencia eléctrica varia bajo tensión mecánica. En el mismo sensor de presión puede estar integrado adicionalmente un sensor de temperatura que se puede evaluar independientemente. Esto significa que hay que montar solamente un sensor para medir la temperatura y la presión.- Según cual sea la magnitud de la presión, la membrana de la célula del sensor se curva de manera distinta (pocos micrómetros). Las cuatro resistencias de medición, dispuestas en un "puente Wheatstone" sobre la membrana, modifican su resistencia eléctrica bajo las tensiones mecánicas producidas (efecto piezoresistivo).- El lado de la membrana que no queda sometida a la presión de medición se encuentra expuesto a un vació de referencia (3), de modo que el sensor mide el valor absoluto de la presión.- El sistema electrónico evaluador completo esta integrado en el chip y tiene la misión de amplificar la tensión de puente, de compensar influencias de temperatura y de linealizar la curva característica de presión. La tensión de salida es del orden de 0 a 5 V y se suministra a la unidad de control de motor, que mediante una curva característica programada, calcula la presión.-

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• Sensores piezoeléctricos:

El efecto piezoeléctrico hace referencia a algunos materiales cristalinos (cuarzo, turmalina) y cerámicos (titanato-circonato de plomo -PZT-), que son capaces de generar un potencial eléctrico en respuesta a una deformación mecánica. El material sufre un reordenamiento de las cargas internas, tanto positivas como negativas, y por ende producen un potencial eléctrico. Para medir el potencial eléctrico generado se usan dos electrodos, su magnitud es proporcional a la deformación y depende en gran medida de la dirección en que se aplique la deformación.-

Al actuar la presión sobre el elemento piezoeléctrico, varía el reparto de las cargas en el elemento. Sin la actuación de la presión en el sensor piezoeléctrico las cargas tienen un reparto uniforme (1). Al actuar una presión, las cargas se desplazan espacialmente (2), produciéndose así una tensión eléctrica.-

VISTA DE ALGUNOS SENSORES DE PRESIÓN UTILIZADOS EN AUTOMÓVILES