99 3.4.5.- GALGAS ESTENSIOMETRICAS.





3.4.5.- GALGAS ESTENSIOMETRICAS.- También conocidas como strain gage. Se basan en la
variación de longitud y de diámetro, y por tanto de resistencia eléctrica, que tiene lugar cuando un
hilo de resistencia se encuentra sometido a una tensión mecánica por la acción de una presión.
Existen los siguientes tipos de galgas estensiometricas:
a) Galgas metálicas:
- Galgas de filamento (wire strain gage), el elemento sensible es un hilo conductor metálico
(aleaciones de níquel con cobre o cromo) con una sección circular de 0,025mm.]
- Galga de trama pelicular (foil strain gage), el elemento sensible es una película de metal de pocas
micras de espesor, recortada mediante ataque fotoquímico.
b) Galgas semiconductoras, el elemento sensible es una banda de cristal semiconductor con un cierto
grado de contaminación. La resistividad del cristal depende de la concentración específica de
portadores. Su sensibilidad es de 50 a 60 veces mayor que la de una galga metálica. En la siguiente
figura se aprecian este tipo de galgas:
CONSTITUCIÓN DE UNA GALGA DE TRAMA PELICULAR
conductor
Bornes de conexión
Soporte
CONSTITUCIÓN DE UNA GALGA DE FILAMENTO
Cristal conductor
Conductores y bornes de
conexión
Soporte
CONSTITUCIÓN DE UNA GALGA SEMICONDUCTORA

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



Existen dos formas de galgas estensiometricas:
- Galgas cementadas, formadas por varios bucles de hilo muy fino que están pegados a una hoja base
de cerámica, papel o plástico.
- Galgas sin cementar, en las que los hilos de resistencia descansan entre un armazón fijo y otro
móvil bajo una ligera tensión inicial. Los mismos se aprecian en la siguiente figura:
En ambos tipos de galgas, la aplicación de presión estira o comprime los hilos según sea la
disposición que el fabricante haya adoptado, modificando la resistencia de los mismos de acuerdo
con la siguiente ecuación:
R
l
= GF
R
l
R = Variación de resistencia de la galga.
R = Resistencia de la galga.
GF = Factor de galga.
 l = Variación de longitud de la galga.
l = Longitud de la galga.
Despejando:
GF =
R /R R /R
=
l /l

 = Deformación
La variación de resistencia de las galgas, forma parte de un puente de Wheatstone, como muestra la
siguiente figura:
Puente de Wheatstone para galga estensiométrica






Si la tensión aplicada es cero, la resistencia de la galga tiene un valor determinado. Si se aplica al
circuito una tensión nominal, circula una corriente por la resistencia creando una caída de tensión y el
puente se equilibra para estas condiciones. Cualquier variación de presión que mueva el diafragma
del transductor cambia la resistencia de la galga y desequilibra el puente.
El intervalo de medida de estos transductores varia de 0-0,6 a 0-10000 Bares y su precisión es del
orden de + 0,5%.
Una innovación de la galga estensométrica la constituyen los transductores de presión de silicio
difundido. Consisten en un elemento de silicio situado dentro de una cámara conteniendo silicona
que esta en contacto con el proceso a través de un diafragma flexible. El sensor esta fabricado a
partir de un monocristal de silicio en cuyo seno se difunde Boro para formar varios puentes de
Wheatstone constituyendo una galga estensométrica autocontenida. El espesor del sensor determina
el intervalo de medida del instrumento.
El sensor con su puente Wheatstone incorporado forma parte del siguiente circuito:
Transductor de presión de silicio difundido
El intervalo de medida de los transductores de silicio difundido varia de 0-2 a 0-600 Bares, con una
precisión del orden de + 2%.
3.4.5.1.- MÉTODO DE MEDICIÓN.- Debido a su sensitividad el puente de Wheatstone es el
circuito mas utilizado para la medición de presiones, esfuerzos y fuerzas. El circuito es el siguiente:
Donde:
Vi = Tensión de alimentación = V IN
Vo = Tensión de salida
= V OUT
Rg = Resistencia de la galga.
R1, R2 y R3 son resistencias del puente
La ecuación de la tensión de salida es:






Vo=Vi [
R3 - R 2 ] (1)
R 3 + R g R1 + R 2
Si: R1/R2 = Rg/R3 , la tensión de salida Vo = 0, por tanto , el puente se encuentra balanceado.
Un circuito que nos permite balancear el puente es:
La variación de la resistencia esta dada por la siguiente ecuación:
GF =
 Rg / Rg  Rg / Rg
=
(2)
l /l

Cuando la galga es sometida a una presión, la resistencia de la galga varia:
Rg +Rg
Definiendo:
Vr=(
Vo
V
)deformacion - ( o )No deformacion (3)
Vi
Vi
De la ecuación 1 y considerando R 3 = R g ,se obtiene:
1
Rg
( V o )deformacion = [
- R 2 ] y ( V o )No deformacion = [ - R 2 ]
2 R g +  R g R1 + R 2
2 R1 + R 2
Vi
Vi
Reemplazando en la Ec. 3:
 Rg
- 4V r
=
1+ 2 V r
Rg
Combinando esta última ecuación y la ecuación 2, se obtiene:
=
- 4V r
GF(1+ 2 V r )
El siguiente circuito es un puente de Wheatstone multicanal:






En muchas aplicaciones se utiliza el siguiente circuito:
Los siguientes son circuitos de puente de Wheatstones con sus respectivas ecuaciones, los cuales son
utilizados como transductores de medida:






Ejemplo: Una balanza digital comercial, utiliza galgas estensiométricas para la medición de peso,
Las galgas se encuentran conectadas en la configuración half bridge. Si el voltaje de salida cuando
no se tiene ningún peso es de 80mV y cuando se aplica un peso de 3Kgf es de 110 mV. Hallar: a) La
variación relativa Vr. b) la deformación ε c) El valor de las resistencias de las galgas cuando se
encuentran sometidas al peso de 3Kgf.
Los siguientes catálogos muestran las características técnicas de las galgas estensiométricas:












3.5.- TRANSDUCTORES PIEZOELECTRICOS.- Los elementos piezoeléctricos son materiales
cristalinos que, al deformarse físicamente por la acción de una presión, generan una señal eléctrica.
Dos materiales típicos en los transductores piezoeléctricos son el cuarzo y el titanato de Bario,
capaces de soportar temperaturas del orden de 150ºC en servicio continuo y de 230ºC en servicio
intermitente.






Son elementos ligeros de pequeño tamaño y de construcción robusta. Su señal de respuesta a una
variación de presión es lineal y son adecuados para medidas dinámicas, al ser capaces de respuestas
frecuenciales de hasta un millón de ciclos por segundo. Tienen la desventaja de ser sensibles a los
cambios en la temperatura, su señal de salida es relativamente débil por lo que precisan de
amplificadores y acondicionadores de señal que pueden introducir errores en la medición. Ver las
siguientes figuras:
Limitaciones y ventajas de los materiales piezoeléctricos.
En general las aplicaciones del efecto piezoeléctrico tienen las siguientes limitaciones:
-
Respuesta en frecuencia limitada.






-
Al ser cargado el condensador (material piezoeléctrico) por efecto de una fuerza constante
aplicada al material, la carga adquirida inicialmente será drenada tarde que temprano a tierra,
por esto, los sensores piezoeléctricos no responden a excitaciones en corriente continua.
-
Los materiales piezoeléctricos presentan un pico de frecuencia muy alto, por lo tanto, esto
obliga a trabajar por debajo de la frecuencia de resonancia del sensor.
-
Existe una gran dependencia entre la banda pasante del sensor y la sensibilidad de éste.
-
La impedancia de salida del sensor es muy alta. Capacitancia muy pequeña con alta
resistencia de fugas. Presentando problemas para su acondicionamiento.
Ventajas de los sensores piezoeléctricos.
-
Alta sensibilidad
-
Bajo costo
-
Alta rigidez mecánica
La siguiente tabla muestra las características de los elementos electromecánicos descritos:
3.6.- ELEMENTOS ELECTRÓNICOS DE VACÍO.- Los transductores electrónicos de vacío se
emplean para la medida de alto vacío, son muy sensibles y se clasifican en los siguientes tipos:
a) Mecánicos
- Fuelle y diafragma.
b) Medidor McLeod
c) Térmicos






- Termopar
- Pirani
- Bimetal
d) Ionización
- Filamento Caliente
- Cátodo frió
- Radiación
La siguiente tabla muestra las características de los elementos electrónicos de vacío:
3.7.- CONVERSORES DE MEDIDA.- Los conversores o transmisores de medida son los
instrumentos encargados de convertir la señal de presión en señal eléctrica de corriente de 4 a 20 mA.
o de tensión de 0 a 10 V.c.c., tal como se aprecia en la siguiente figura:
Generalmente esta conformado por dispositivos electrónicos discretos como son los amplificadores
operacionales, con los cuales se amplifican pequeñas señales eléctricas.
Se encuentran bajo la siguiente configuración:
Indicador -Analógico
-Digital
Registradores


Reguladores TELEPERM


Siemens


p
4
-20mA
PLCs

Computador (SCADAHMI)
Otros.
Generalmente el conjunto sensor y conversor de medida se denomina transductor.
3.8.- CONFIGURACIONES DEL CABLEADO.- Los cableados más comunes que se tienen en la
aplicación de los transductores de presión y en general de la mayoría de los transductores son:
1.- Configuración de cableado para salida de milivoltios del transductor:






TYPICAL WIRING CONFIGURATION FOR MILIVOLT OUTPUT TRANSDUCER
2.- Configuración del cableado para salida de voltaje del transductor 3 hilos:
TYPICAL WIRING CONFIGURATION FOR VOLTAGE OUTPUT TRANSDUCER
(EXCITATION AN SIGNAL ARE COMMON)
3.- Configuración de cableado para salida de corriente del transductor, conexión 4 hilos
TYPICAL WIRING CONFIGURATION FOR CURRENT OUTPUT TRANSDUCER






4.- Configuración de cableado para salida de corriente del transductor, conexión a tres hilos:
TYPICAL WIRING CONFIGURATION FOR CURRENT OUTPUT TRANSDUCER
5.- Cableado de la señal de 4 a 20mA del transductor a múltiples indicadores, registradores,
computadores, etc; el siguiente diagrama muestra este cableado:
+
4-20mA
24Vc.c. POWER SUPPLY
-
4 -20mA
4 -20mA
+
-
TRANSDUCTOR
PRESION
TEMPERATURA
NIVEL
+
-
INSTRUMENTO 1
4 -20mA
+
-
INSTRUMENTO 2
+
-
INSTRUMENTO 3
MULTI-INSTRUMENT 4-20mA CURRENT LOOP
(PANEL METERS, CHART, RECORDER, COMPUTER, ETC)
6.- Cableado de la señal voltaje del transductor a múltiples indicadores, registradores,
computadores, etc, en paralelo; el siguiente diagrama muestra este cableado:
MULTI-INSTRUMENTS WIRED IN PARALLEL TO A VOTAGE OUTOPUT
TRANSDUCER






7.- Cableado de múltiples transductores a un indicador, registrador, computador, etc; ver el
siguiente diagrama:
8.- Usando una señal de miliamperios con un instrumento de entrada de voltaje: Con la ayuda
del siguiente circuito se puede convertir la señal de miliamperios proveniente del transductor en
señal eléctrica de voltaje:
En este circuito se ha añadido una resistencia al ingreso del indicador, registrador, etc. El cálculo de
la resistencia se obtiene aplicando la ley de Ohm.
Por ejemplo: se tiene un indicador que trabaja con señales de 0 a 10 V. y se tiene un transductor que
proporciona señal de 4 a 20mA. Qué valor de resistencia se debe añadir al indicador?
De la ley de Ohm:
Despejando:
V  RI
R
V
I
Para 20mA, se tiene que obtener 10 V, entonces:
R = 10/0,02 = 500 ohm






Para 4mA, se obtiene:
V = 500*0,004 = 2 V.
Este valor puede ser ajustado a cero, con el offset del instrumento.
3.9.- PRESOSTATOS.- También conocidos como pressure switches, son controladores de presión,
que permiten realizar el control ON-OFF en los procesos industriales.
Al igual que los manómetros, en los presostatos el componente mas importante para la medición y
control de la presión, es el elemento sensor de medición. Este elemento sensor en combinación con
un resorte opuesto, determinan el rango de medición de presión, la sensitividad y exactitud.
Los elementos sensores utilizados comúnmente son: el diafragma, pistón y fuelle, tal como se aprecia
en las siguientes figuras:
a) DIAFRAGMA
b) PISTON
c) FUELLE
Una vez que la presión ha sido sensada y obtenido el movimiento de medición, este movimiento debe
ser transferido a un elemento actuador como es el micro interruptor ON-OFF (micro switch ONOFF), esto se realiza a través de una palanca que conecta el fuelle, diafragma o pistón con el émbolo
del interruptor, el émbolo mueve el interruptor para actuar o desactuar.
El movimiento del sensor actúa, cambiando la posición de los contactos eléctricos de un interruptor.

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El interruptor por lo general esta constituido por un micro interruptor (micro switch) conmutador
tipos: SPST, SPDT, DPST o DPDT, por defecto los presostatos suelen tener incorporados un micro
switch SPDT cuyo circuito es el siguiente:
NC
C
NO
También:
Los acabados industriales se observan en las siguientes figuras:

Los presostatos tienen un rango de presión ajustable, de acuerdo con el valor de presión de ajuste del
sistema a controlar.
Con los presostatos, se pueden ajustar valores mínimos y máximos de presión, existiendo entre
ambos valores, una zona muerta (deadband) o de histéresis, el cual es variable de acuerdo con la
aplicación y tipo de presostato. En los valores ajustados, deberán actuar los interruptores de ajuste
mínimo y máximo y de esta manera controlar dispositivos eléctricos.
Para la selección de un presostato se necesita conocer:

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- La presión de trabajo del proceso.
- Presiones mínimas y máximas de ajuste.
- Rosca de conexión (NPT) y tipo de montaje.
- Tipo de fluido de medición (líquido o gas).
- Exactitud de medición.
Una de las aplicaciones más comunes es el control de presión de los compresores de aire para
mantener un valor predeterminado de presión en un proceso o sistema. Otras aplicaciones son las de
controlar y proteger contra valores no deseados de presión, un determinado sistema o proceso.
Los siguientes catálogos muestran las características técnicas de presostatos analógicos y digitales:

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3.10.- TRANSMISORES DE PRESIÓN.- Los transmisores de presión son instrumentos que
convierten la presión de líquidos, gases y vapor presentes en los procesos industriales, en señal
eléctrica de 4 a 20 mA normalizado o de 0 a 10V, los transmisores de ultima generación se pueden
conectar a buses de campo como el RS - 485. Los transmisores de presión pueden se de dos tipos:
- Transmisores de presión ciegos, los cuales convierten la presión en señal eléctrica normalizada de 4
a 20 mA o de 0 a 10Vcc.
- Transmisores de presión inteligentes (I/A), que tienen incorporado en su circuito un
microprocesador o microcontrolador, además estos transmisores indican la presión localmente ya

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sea en forma digital o analógica, pero a la vez disponen de la señal eléctrica normalizada de 4 a 20
mA o de la conexión de bus de campo (RS – 485).
La señal de 4 a 20mA o de 0 a 10 Vcc, puede introducirse a los indicadores, registradores,
controladores, reguladores, PLC’s, SCADA y computadoras con tarjetas de adquisición de datos.
El sensor primario que utilizan los transmisores de presión pueden ser del tipo electromecánico
(bourdon, diafragma, cápsula) o electrónico (galgas estensiométricas y sensores de silicio
piezoeléctricos), tal como se aprecia en las siguientes figuras y catálogos:
Cerabar S PMC71
Cerabar S with Ceraphire® ceramic sensor. Overload-resistant and function-monitored.
Communication via HART, PROFIBUS PA or FOUNDATION Fieldbus.
Areas of application
The Cerabar S pressure transmitter is used for the following measuring tasks:
Absolute pressure and gauge pressure in gases, steams or liquids in all areas of process engineering and
process measurement technology
Level, volume or mass measurement in liquids
High process temperature up to 150°C (302°F)
International usage thanks to wide range of approvals

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Benefits at a glance
High purity ceramic sensor (99.9% Al2O3)
Very good reproducibility and long-term stability
High reference accuracy: up to 0.075%,
as PLATINUM version: 0.05%
Turn down 100:1, higher on request
Used for process pressure monitoring up to SIL 2,
certified according to IEC 61508 by TÜV SÜD
Meets PED (Pressure Equipment Directive)
HistoROM®/M-DAT memory module
Function-monitored from the measuring cell to the electronics
Continuous modularity for differential pressure and pressure
(Deltabar S - Cerabar S), e.g.
- replaceable display
- universal electronics
Quick commissioning thanks to quick setup menu
Easy and safe menu-guided operation on-site, via 4...20 mA with HART, PROFIBUS PA or
FOUNDATION Fieldbus
Extensive diagnostic functions
Technical data
Reference accuracy:
up to 0.075% of the set span,
PLATINUM version: 0.05% of the set span
Measuring range:
from -0.1/0...100 mbar to -1/0...40 bar
Process temperature:
-20...+125°C/+150°C (-4...+257°F/+302°F)
Ambient temperature:
-40...+85°C (-40...+185°F)
Certificates:
ATEX, CSA, FM, NEPSI, IECEx
Options:
Inspection certificate 3.1.B
Specialities:
Metal-free measurement with PVDF connection
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Ejemplo.- Elegir un presostato que controle la presión de un tanque de aire , para que no sobrepase
los 147 psi,. La compresión en el tanque se realiza mediante un compresor que tiene un motor
trifásico de inducción de 4Hp/ 50Hz/ 220 V. Asimismo, realizar los circuitos de fuerza y mando.
La siguiente tabla muestra los rangos de aplicación de los elementos mecánicos elásticos en la
medición de presión
ELEMENTOS MECANICOS
El siguiente catálogo muestra las características técnicas de un calibrador de manómetros:

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