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Sensores de presión

Magnitudes de medición
Las presiones se miden directamente, por deformación de una membrana o por un sensor de fuerza, para las siguientes aplicaciones (ejemplos):

• presión de admisión o de sobrealimentación (1...5 bares), inyección de gasolina,
• presión de frenado (10 bares), frenos electroneumáticos,
• presión de resorte neumático (16 bares), vehículos de suspensión neumática,
• presión de neumáticos (5 bares absoluta), sistema de control o de regulación de la presión de inflado,
• presión de alimentación hidráulica (aprox. 200 bares), ABS, servodirección,
• presión de amortiguadores (+200 bares), sistemas de regulación de la suspensión,
• presión del agente frigorífico (35 bares), sistemas de aire acondicionado,
• presión de modulación (35 bares), cambios automáticos,
• presión de frenado en el cilindro principal y en los cilindros de freno de rueda (200 bares), compensación automática del momento de convolución, freno de mando electrónico,
• sobrepresión/depresión dentro del depósito de combustible (0,5 bares), "diagnosis de a bordo",
• presión en la cámara de combustión (100 bares, dinámica), detección de fallos del encendido y de picado,
  
• presión dentro de un elemento de bomba de inyección diesel (1000 bares, dinámica), regulación electrónica diesel,
  
• presión del combustible en sistemas "Common Rail" diesel (1500 ó 1800 bares),
• presión del combustible en sistemas "Common Rail" gasolina (100 bares).
  

Principios de medición
La magnitud de medición "presión" se manifiesta en los gases y líquidos como efecto de fuerza no dirigible, es decir, que actúa en todas las direcciones.

Sensores de membrana
El método de detección de presiones más usual (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 todavía dentro del margen de 1 a 0,1 mm. Por el contrario, las presiones altas exigen membranas más gruesas 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, existen cuatro tipos de base diferentes de sensores de presión para medir:

• Presión absoluta
• Presión de referencia
• Presión barométrica
• Presión diferencial

Existen diferentes modelos de sensores de presión:

• Sensores de presión de capas gruesas
• Sensores de presión micromecánicos
• Sensores de presión de combustión en silicio
• Sensores de alta presión de membrana metálica

Sensores de presión de capas gruesas
Aplicación
Estos sensores se utilizan de modo aislado integrados, como alternativa a los sensores de presión micromecánicos, en la unidad de control (p. ej. de los sistemas de gestión del motor M y ME-Motronic) o como componentes independientes. Se emplean como:

• sensor de presión de admisión o de sobrealimentación (margen de presión de 20 a 400 kPa o 0,2 a 4,0 bares),
• sensor de presión ambiente (margen de presión de 60 a 115 kPa o resp. 0,6 a 1,15 bares).
  

Estructura y funcionamiento
El sensor está dividido (figuro inferior) 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 piezorresistivos montados en puente están dispuestos en la membrana: Dos elementos piezorresistivos activos, cuya conductibilidad varía bajo el efecto de un esfuerzo mecánico (presión), se encuentran en el centro de la membrana. Dos elementos piezorresistivos pasivos de referencia se encuentran sobre el borde de la membrana; 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 del equilibrio del puente. La tensión de medición UM del puente constituye por tanto un parámetro específico de la presión a medir "P". El circuito de evaluación amplifica la tensión del puente, compensa los efectos de la temperatura y linealiza la característica de presión. La tensión de salida UA del circuito de evaluación es transmitida a la unidad de control.

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Sensores de presión micromecánicos

• El sensor de presión de alimentación está montado por lo general directamente en el tubo de admisión. Mide la presión absoluta en el tubo de admisión (2 .... 400 kPA o 0,02 ....4,0 bar), o sea que mide la presión contra un vacío de referencia y no contra la presión del entorno. De este modo es posible determinar la masa de aire con toda exactitud y regular el compresor de acuerdo con las necesidades del motor.
  Si el sensor no esta montado directamente en el tubo de admisión, este se hace comunicar neumáticamente con el tubo de admisión mediante una tubería flexible.
  
  
• Sensor de presión atmosférica (ADF)
  Este sensor puede estar montado en la unidad de control o en otro lugar del vano motor. Su señal sirve para la corrección, en función de la altura, de los valores teóricos para los circuitos reguladores (como ejemplo: retroalimentación de gases de escape EGR, regulación de la presión de sobrealimentación). Con ello se pueden tener en cuenta las diferencias de la densidad del aire del entorno. El sensor de presión de entorno mide la presión absoluta (60 .....115 kPa o 0,6 ....1,15 bar).
  
  
• Sensor de presión del aceite y combustible
  Los sensores de presión de aceite están montados en el filtro de aceite y miden la presión absoluta del aceite para que se pueda averiguar la carga del motor para la indicación de servicio. Su margen de presiones se sitúa en 50 ....1000 kPa o 0,5 ...10,00 bar.
  
  

Estructura
El componente esencial del sensor de presión micromecánico es el elemento sensor con la "célula de sensor" (figura inferior). Ella consta de un chip de silicio (2) micromecánico que lleva grabada una membrana delgada (1). Sobre la membrana hay dispuestas cuatro resistencias de medición (R1, R2), cuya resistencia eléctrica varia bajo tensión mecánica.
En el 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.

Funcionamiento
Según cual sea la magnitud de la presión se curva de manera distinta la membrana de la célula del sensor (pocos micrómetros). Las cuatro resistencias de medición sobre la membrana modifican su resistencia eléctrica bajo las tensiones mecánicas producidas (efecto piezorresistivo).
Las resistencias de medición (R1, R2) están dispuestas sobre el chip de silicio (2) de tal forma que al deformarse la membrana (1) aumenta la resistencia de dos de las resistencias de medición, a la vez que disminuye la misma en las dos restantes. Las resistencias de medición están dispuestas en un "puente Wheatstone". Debido al cambio de las resistencias se va modificando también la relación de las tensiones eléctricas en las resistencias de medición. Debido a ello se modifica la tensión de medición (UA). La tensión de medición es, pues, una medida para la presión en la membrana.
Mediante el puente resulta una tensión de medición mas alta que al evaluarse solamente una resistencia individual. El "puente Wheatstone" permite obtener así una alta sensibilidad.
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 ....5 V y se suministra a la unidad de control de motor a través de conexiones eléctricas. Mediante una curva característica programada se calcula la presión.

Ejecución de sensor con vacío de referencia en una cavidad
Estructura
El sensor depresión con vacío de referencia en una cavidad para su aplicación como sensor en el tubo de admisión o de presión de sobrealimentación es de forma más sencilla que la del sensor con vacío de referencia en el lado de la estructura: un chip de silicio con una membrana grabada y cuatro resistencias dilatables conectadas en puente está fijo (al igual que en el sensor de presión con tapa y vacío de referencia sobre el lado de la estructura) como celda de medición sobre un zócalo de vidrio.

Este zócalo, sin embargo, al contrario de aquel sensor no tiene ningún agujero por el que la presión de medición actúe desde la parte posterior sobre la célula de medición (figura inferior). Es decir, el chip de silicio recibe la presión por el lado en el que se encuentra el sistema electrónico evaluador. Por eso este lado debe estar protegido con un gel especial contra influencias del ambiente (1). El vacío de referencia se encuentra en la cavidad entre el chip (3) y el zócalo de vidrio (6). El elemento de medición completo está soportado por un híbrido cerámico (5) que tiene superficies de soldadura para su ulterior empalme dentro del sensor.
El cuerpo del sensor de presión puede tener integrado adicionalmente un sensor termoeléctrico. Este sensor de temperatura se eleva, descubierto, penetrando en la corriente de aire y reacciona así lo más rápidamente posible a los cambios de temperatura.

Funcionamiento
El funcionamiento y por tanto la regeneración y amplificación de las señales, así como la línea característica, coinciden con los del sensor de presión con tapa y vacío de referencia en el lado de la estructura. La única diferencia consiste en que la membrana de la celda de medición se deforma en dirección contraria, por lo que también las resistencias experimentan una deformación inversa.

Sensores de alta presión
Aplicación
Los sensores de alta presión se emplean en el automóvil para medir la presión del combustible y del líquido de freno:

• Sensor de presión "rail" diesel
  Este sensor mide la presión del combustible en el tubo distribuidor (rail) del sistema de inyección diesel "Common Rail". La presión máxima de trabajo (presión nominal) Pmax: es de 160 MPa (1600 bares). La presión del combustible es modulada en un circuito de regulación. Es casi constante e independiente de la carga y de la velocidad de rotación. Las posibles desviaciones del valor teórico se compensan mediante una válvula reguladora de presión.
  
  
• Sensor de presión "rail" para gasolina
  Este sensor mide la presión del combustible en el tubo distribuidor (rail) del sistema MED-Motronic de inyección directa de gasolina; la presión, que depende de la carga y de la velocidad de rotación, es de 5 a 12 MPa (50 a 120 bares). La presión medida se utiliza como magnitud real para la regulación de la presión rail. El valor teórico, que depende de la carga y del número de revoluciones, está memorizado en un diagrama característico y se ajusta mediante una válvula de control de la presión en el rail.
  
  
• Sensor de presión del líquido de freno
  Este sensor de alta presión mide la presión del líquido de freno en el grupo hidráulico de sistemas de seguridad de marcha (p. ej. ESP); la presión es en general de 25 MPa (250 bares). Los valores de presión máximos pmáx pueden subir hasta 35 MPa 350 bares). La medición y la vigilancia de la presión son activados por la unidad de control, que efectúa asimismo la evaluación a partir de una señal retrocesiva.

Sensor de presión de rail

Estructura y funcionamiento
El corazón del sensor lo constituye una membrana de acero, sobre la que están metalizados por evaporación unos elementos piezorresistivos formando un circuito en puente (figura 1, pos. 3). El campo de medición del sensor depende del espesor de la membrana (membrana gruesa para presiones elevadas, membrana delgada para presiones reducidas). Tan pronto como la presión a medir atraviesa el racor (4) y actúa sobre un lado de la membrana, el valor de resistencia de los elementos piezorresistivos varía a causa de la deformación de la membrana (aprox. 20 µm a 1500 bares).
La tensión de salida de 0 a 80 mV generada por el puente es conducida por líneas de unión a un circuito de evaluación (2) del sensor. Este circuito amplifica la señal emitida por el puente a un valor entre 0 y 5 V y lo transmite a la unidad de control, que partiendo de él calcula la presión con la ayuda de una característica memorizada

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Sensor de presión de frenado
Su misión consiste en suministrar valores de medición para el calculo de las fuerzas de frenado. La pieza principal del sensor es un elemento piezoeléctrico (a), sobre el cual puede efectuar la presión del liquido de frenos, el sensor incluye también la electrónica de evaluación (b).

Al actuar la presión del liquido de frenos sobre el elemento piezoeléctrico (figura inferior) varia 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), produciendose una tensión eléctrica.