MEDIDORES DE PRESIÓN
JOSÉ NIEVES C.I.21103133 SECCIÓN: 79
PRESIÓN S
e define como una fuerza por unidad de área o superficie,
en donde para la mayoría de los casos se mide directamente por su equilibrio con otras fuerzas conocidas que pueden ser la de una columna liquida, un resorte, un embolo cargado con un peso o un diafragma cargado con un resorte o cualquier otro elemento que puede sufrir una deformación cualitativa cuando se le aplica la presión, esta puede expresarse en unidades tales como pascal, bar, atmósferas, kilogramos por centímetro cuadrado y psi. (libras por pulgada cuadrada) Cuando sobre una superficie plana de área A se aplica una fuerza normal F de manera uniforme, la presión P viene dada de la siguiente forma:
En un caso general donde la fuerza puede tener cualquier dirección y no estar distribuida uniformemente en cada punto la presión se define como:
Donde (n) es un vector unitario y normal a la superficie en el punto donde se pretende medir la presión. La definición anterior puede escribirse también como:
Donde: F, es la fuerza por unidad de superficie. N, es el vector normal a la superficie. A, es el área total de la superficie S. Tipos de Presión: Presión Absoluta Es la presión de un fluido medido con referencia al vacío perfecto o cero absoluto. La presión absoluta es cero únicamente cuando no existe choque entre las moléculas lo que indica que la proporción de moléculas en estado gaseoso o la velocidad molecular es muy pequeña. Presión Atmosférica El hecho de estar rodeados por una masa gaseosa (aire), y al tener este aire un peso actuando sobre la tierra, quiere decir que estamos sometidos a una presión (atmosférica), la presión ejercida por la atmósfera de la tierra. Al nivel del mar o a las alturas próximas a este, el valor de la presión es cercano a 14.7 lb/plg2 (101,325Kpa), ,disminuyendo estos valores con la altitud. Presión Manométrica Son normalmente las presiones superiores a la atmosférica.. La presión puede obtenerse adicionando el valor real de la presión atmosférica a la lectura del manómetro. Presión Absoluta = Presión Manométrica + Presión Atmosférica. Vacío Se refiere a presiones manométricas menores que la atmosférica. Los valores que corresponden al vacío aumentan al acercarse al cero absoluto.
UNIDADES DE PRESIÓN Las unidades de presión expresan una unidad de fuerza sobre unidad de área.
DE PRESIÓN
La siguiente tabla resume los factores de conversión de las unidades de presión más comunes.
KPa, KiloPascal psi, libra de fuerza por pulgada cuadrada (psia para presión absoluta, psig para presión relativa, y, asid para presión diferencial). in H2O, pulgada de agua a 4 °C cm H20, centímetro de agua a 4 °C in Hg, pulgada de mercurio a 0 °C mm Hg, milímetro de mercurio a 0 °C mbar, milibar
MEDIDORES DE PRESIÓN Son instrumentos de precisión fabricados para medir la presión sanguínea, la presión de líquidos y gases en tuberías o tanques de almacenamiento y la presión atmosférica, a grandes rasgos, teniendo para cada uso diversos equipos disponibles de acuerdo a las necesidades.
Dependiendo de las aplicaciones de los medidores de presión, son las unidades disponibles para sus resultados, además de que algunos reciben nombres diferentes dependiendo también del tipo de presión que van a medir MANÓMETRO DE TUBO EN U
MANÓMETRO DE TINTERO
MANÓMETRO DE TUBO INCLINADO
MANÓMETRO DE POZO
INSTRUMENTOS
MECÁNICOS:
son los elementos primarios de medición que pueden dar lectura directa o ser parte de los electromecánicos. Se usan en los procesos como instrumentos de campo. Elementos primarios de medida directa: miden la presión comparándola con la ejercida por un liquido de densidad y altura conocidas. BARÓMETRO DE CUBETA
MANÓMETRO DE PRESIÓN ABSOLUTA
MANÓMETRO DE CAMPANA
Elementos primarios elásticos: se deforman por la presión interna del fluido que contienen. TUBO BOURDON
TIPOS DE TUBO BOURDON
TIPOS C TIPOS ESPIRAL
TIPOS HELICOIDAL
CARACTERÍSTICAS DE LOS INSTRUMENTOS MECÁNICOS DIAFRAGMA NO METÁLICO
DIAFRAGMA METÁLICO
INSTRUMENTOS
NEUMÁTICOS:
utilizan
elementos mecánicos con desplazamiento de gas. Los transmisores neumáticos: se basan en el sistema toberaobturador que convierte el movimiento del elemento de medición en una señal neumática.
El sistema tobera-obturador: consiste en un tubo neumático aumentado a una presión constante P, con una reducción en su salida en forma de tobera, la cual puede ser obstruida por una lámina llamada obturador cuya posición depende del elemento de medida. EQUILIBRO DE FUERZA
BLOQUE AMPLIFICADOR DE 2 ETAPAS:
aumenta el caudal de aire suministrado, o del caudal de escape para conseguir tiempos de respuesta inferiores al segundo. Amplificación de poder (ganancia) que suele ser de 4 a5, en general, para obtener así la señal neumática estándar 315 psi (0,2-1 bar)
EQUILIBRO DE MOMENTOS
EQUILIBRO DE MOVIMIENTO
INSTRUMENTOS ELECTRÓNICOS DE VACÍO:
se emplean para la medida de alto vacío, son
muy sensibles. Mecánico de fuelle y diafragma: trabajan en forma diferencial entre la presión atmosférica y la del proceso. Pueden estar compensados con relación a la presión atmosférica y calibrados en unidades absolutas. Térmico: Estos instrumentos utilizan las características eléctricas del sensor para determinar el valor de la presión
PIRANI
Medidor McLeod: es un instrumento que permite medir valores de presión absoluta mediante nivel de líquidos.
BI-METÁLICO
TERMOPAR
Ionización: estos se basan en la formación de iones que se producen en las colisiones que existen entre moléculas y electrones. La velocidad de formación de los iones, es decir la corriente iónica, varía directamente con la presión.
MEDIDOR DE FILAMENTO CALIENTE
CARACTERÍSTICAS DE LOS INSTRUMENTOS ELECTRÓNICOS DE VACÍO
MEDIDOR DE CATADO FRÍO
RADIACIÓN
INSTRUMENTOS ELECTROMECÁNICOS:
utilizan un elemento mecánico elástico combinado con un transductor eléctrico que genera la señal eléctrica correspondiente. El elemento mecánico consiste en un tubo Bourdon, espiral, hélice, diafragma, fuelle o una combinación de los mismos que, a través de un sistema de palancas convierte la presión en una fuerza o en
un desplazamiento mecánico.
En los transductores electrónicos u electroópticos, los valores de sensor son convertidos en cantidades eléctricas (corriente, resistencia, capacitancia, resistencia, y alteraciones en las salidas piezoeléctricas y ópticos). La invención de la banda extensométrica ( galga extensométrica, strain gage) sirvió de impulso inicial para utilizar transductores eléctricos. Hay numerosas ventajas para un gran número de aplicaciones que derivan de una cierta forma de transducción electrónica. Estas unidades son muy pequeñas, son fáciles de integrar en las redes eléctricas, y numerosas otras características electrónicas se pueden añadir a los transductores y transmisores, incluyendo verificaciones incorporadas de la calibración, compensación de temperatura, autodiagnóstico, acondicionamiento de señales y otras características, que pueden ser derivadas a partir de la integración de un microprocesador en la unidad sensor-transductor transmisor. La mayoría de los instrumentos electromagnéticos de presión, incorporan uno de los instrumentos primarios de medición de presión discutidos previamente (instrumentos elásticos). El hecho de que la energía del proceso sea transformada en una señal eléctrica, a partir de un movimiento mecánico, hace que a estos instrumentos se les dé el nombre de “Transductores”.
Empleo de la señal: En ocasiones, la señal se utiliza de manera directa, para medir y ajustar. Como alternativa, el transductor se puede conectar a un transmisor, que convertirá la señal en una tensión variable o señal de intensidad, 0–10 V ó 4–20 mA respectivamente. Estos rangos de señales son empleados por una amplia variedad de reguladores del sistema de gestión del edificio. La medida de presión se utiliza como parte de la supervisión del sistema, o para controlar bombas/ventiladores con el fin de alcanzar una determinada presión en un instante determinado.
Los diferentes tipos de transductores de presión utilizan diferentes formas para medir la presión y convertirla en señal eléctrica. Transmisores electrónicos de equilibrio de fuerza
En este instrumento el elemento mecánico elástico de medición ejerce una fuerza sobre una barra rígida del transmisor. Para cada valor de la presión la barra adopta una posición determinada excitando un transductor de desplazamiento tal como un detector de Inductancia, Transformador Diferencial, o un detector Fotoeléctrico.
CARACTERÍSTICAS: • • • • • • • • •
Presentan movimientos muy pequeños en la barra de equilibrio. Poseen realimentación. Una muy buena elasticidad. Nivel alto en la señal de salida. Presentan un ajuste del cero y del span complicado, por su constitución mecánica. Presentan una alta sensibilidad a vibraciones. La estabilidad en el tiempo es de media a pobre. Su intervalo de medida corresponde al del elemento mecánico que utilizan. Su precisión es del orden de 0.5-1 %.
Tensión: 1 ± 5 V, 0 ± 10 V, 0-24 V Caídas de tensión en los cables falsean la medida. Intensidad: 4 ± 20 mA No se afecta por los cables.
DESVENTAJA: Sensibilidad a la contaminación electromagnética. VENTAJA: Alta velocidad de transmisión. Bajo costo
Utiliza cables apantallados.
Elemento de resistencia: • Grafito depositado • Películas metálicas • Resistencias bobinadas
Transductor resistivo Este elemento está conformado por un potenciómetro (resistencia variable) en donde la guía móvil (elemento que permite variar la resistencia) está conectada a un sensor de presión (diafragma, fuelle o tubo Bourdon), el desplazamiento producido por el sensor de presión producirá un cambio en la resistencia del potenciómetro. La medida del valor de esta resistencia será entonces proporcional al valor de la presión del proceso, y se puede calcular con la expresión:
VENTAJAS • • •
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Salida alta. Económico. Se puede usar con corriente alterna o continua. No es necesario amplificar o acoplar impedancias.
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CARACTERÍSTICAS: • •
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Su señal de salida es bastante potente, sin necesidad de amplificación. Son muy sensibles a vibraciones externas. Presentan una estabilidad pobre en el tiempo. Su intervalo de medida corresponde al del elemento mecánico que utilizan. La precisión es del orden del 1-2%.
• Requiere un gran Usualmente requiere gran tamaño. desplazamiento por Posee una alta fricción mecánica. lo cual el sensor de Tiene una vida limitada. presión debe ser Es sensible a vibraciones o choques. relativamente Tiene una baja respuesta a la frecuencia. grande Desarrolla altos niveles de ruido con el desgaste. Es insensible a pequeños movimientos (baja sensibilidad). DESVENTAJA
Transductor magnético Los transductores magnéticos utilizan unas bobinas con un núcleo magnético móvil conectado a un sensor de presión, con lo cual al producirse el movimiento del núcleo magnético cambian las características magnéticas del circuito eléctrico. Existen principalmente dos tipos: Transductor magnético de inductancia variable: En este caso se mide la inductancia de la bobina que varía en forma proporcional a la porción de núcleo magnético contenido en ella. Transductor magnético de reluctancia variable: Consiste en un imán permanente o un electroimán que crea un campo magnético dentro del cual se mueve una armadura de material magnético. El circuito se alimenta con una fuerza magnetomotriz constante con la que al cambiar la posición de la armadura varía la reluctancia y por lo tanto el flujo magnético. Esta variación del flujo da lugar a una corriente inducida en la bobina que es proporcional a la presión medida.
Ventajas y desventajas de inductancia: • • • • • •
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Salida alta Se excitan solo con Corriente alterna por lo que el receptor debe funcionar con corriente alterna Respuesta lineal No precisan ajustes críticos en el montaje Requiere un gran desplazamiento del núcleo magnético Baja histéresis por no haber roce Sensible a choques y vibraciones Construcción robusta
Ventajas y desventajas de reluctancia: • • • • • •
No existen rozamientos, por lo que se elimina la histéresis mecánica típica de otros instrumento. Presentan una alta sensibilidad a las vibraciones. Presentan una estabilidad media en el tiempo. Son sensibles a las temperaturas. Su precisión es del orden del +/- 0.5%. Posicionan la armadura móvil con un elemento de presión mecánico.
Calculo de capacitancia
Donde: A: área de la placa N: Número de placas t: ancho del dieléctrico K: constante del dieléctrico
Transductor capacitivo Se basan en la variación de capacidad que se produce en un condensador al desplazarse una de sus placas por la aplicación de presión. La placa móvil tiene forma de diafragma y se encuentra situada entre dos placas fijas. De este modo se tienen dos condensadores uno de capacidad fija o de referencia y otro de capacidad variable, que pueden compararse en circuitos oscilantes o bien en circuitos de puente de Wheatstone alimentado con corriente alterna.
CARACTERÍSTICAS: • • • • • • • •
Su pequeño tamaño y su construcción robusta. Tienen un pequeño desplazamiento volumétrico. Son adecuados para medidas estáticas y dinámicas. Son sensibles a las variaciones de temperatura. Su intervalo de medida es relativamente amplio. Su precisión es del orden de +/-0.2 a +/-0.5 %. Su señal de salida es débil por lo que precisan de amplificadores con el riesgo de introducir errores es la medición. Su intervalo de medida es relativamente amplio, entre 0,05-5 a 0,5-600 bar.
VENTAJA: • • • • • • •
Excelente respuesta a la frecuencia Construcción sencilla. Mide presiones estáticas y dinámicas. Costo relativamente bajo. Para pequeños desplazamientos. De resolución continua. Poco afectado por vibraciones.
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El movimiento de cables de gran longitud origina distorsión y error. Alta impedancia de salida. Deben balancearse reactiva y resistida-mente. Sensible a variaciones de temperatura. El instrumento receptor es grande y complejo. DESVENTAJA:
Transductor extensométrico Utiliza un extensómetro o galga extensométrica (Strain gage) para transformar la deformación que se produce sobre un diafragma en una señal eléctrica. El extensómetro es un elemento que esta diseñado para medir deformaciones en materiales sometidos a esfuerzos. Estos están compuestos por varios lazos de un alambre muy fino o por un material semiconductor, el cual al estirarse produce un cambio en la sección transversal del alambre o en el área transversal del semiconductor. Existen varios tipos de transductores extensométricos: Galgas cementadas: Estas están formadas por un extensómetro que se pega a una hoja base de cerámica, papel o plástico, el cual se adhiere mediante un pegamento especial al miembro al cual se le quiere medir la deformación. En este caso se trata generalmente de medir la deformación producida por un cambio de presión a un diafragma.
Galgas no cementadas En este caso el extensómetro no se adhiere en toda su superficie, sino que los extremos de los hilos de este descansan entre una armazón móvil y una fija, sometido a una ligera tensión inicial. En este caso se trata generalmente de medir el alejamiento entre las dos paredes, que suelen ser las dos caras de un diafragma.
CARACTERÍSTICAS: •
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El rango de las algas extensométricas puede ir entre las 3 pulgadas de columna de agua hasta 1400 MPa (200000psi) y su exactitud varía entre 0.1% de la amplitud a 0.25% del valor máximo del rango. Se debe además considerar la posibilidad de un error del 0.25% después de 6 meses de instalado y un 0.25% adicional por efecto de temperatura para cada 550ºC de cambio en la temperatura el ambiente donde se encuentra.
VENTAJA Y DESVENTAJA: • • • • • • • • • •
Alta exactitud Tienen una señal de salida débil, la cual requiere accesorios de acondicionamiento como puentes. Miden presiones estáticas y dinámicas Pueden excitarse con corriente alterna o continua Requiere una fuente de alimentación Baja sensibilidad a choques o vibraciones Existen limitaciones para medir procesos con altas temperaturas Resolución continua Excelente respuesta a la frecuencia Compensación por temperatura fácil
Transductor piezoeléctrico Cuando ciertos cristales se deforman elásticamente a lo largo de planos específicos de esfuerzos se produce un potencial eléctrico en el cristal. Por lo tanto si se acopla un diafragma a un cristal de características geométricas adecuadas para que este pueda deformarse con la deformación del diafragma, entonces al producirse la deformación se producirá una corriente eléctrica que será proporcional a la deformación del cristal.
La piezoelectricidad se define como la producción de un potencial eléctrico debido a la presión sobre ciertas sustancias cristalinas como el cuarzo, titanio de bario, etc.
VENTAJA • • •
Entre los cristales usados están: el cuarzo, la turmalina, el titanio de bario y las sales de Rochelle. Los cristales naturales como el cuarzo permiten medir variaciones lentas de presión porque operan a bajas frecuencias, son resistentes a la temperatura y se pueden usar en aplicaciones duras como choques. Los cristales sintéticos como las sales de Rochelle dan una salida mucho mayor para una presión dada pero son incapaces de resistir altos esfuerzos mecánicos sin fracturarse rápidamente.
Con estos instrumentos se pueden medir presiones hasta de 70 MPa (10000 psi).
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Tamaño pequeño, compacto y ligero. Muy lineales. Alta respuesta a la frecuencia hasta 100000 ciclos/s. No requieren frecuente calibración
Son sensibles a cambios de temperatura. No miden presiones estáticas. DESVENTAJA Alta impedancia de salida. Cables de conexión largos originan ruido. Después de un choque severo no retornan rápidamente a la salida de referencia previa. Su señal de salida es relativamente débil por lo que precisan de amplificadores y acondicionadores de señal que pueden introducir errores de medición
TIPOS DE TRANSDUCTORES EN IMÁGENES: TRANSMISORES ELECTRÓNICOS DE EQUILIBRIO DE FUERZA
TRANSDUCTOR MAGNÉTICO
TRANSDUCTOR RESISTIVO
INDUCTANCIA RELUCTANCIA
TRANSDUCTOR CAPACITIVO
TRANSDUCTOR EXTENSOMÉTRICO
Características eléctricas de los transductores
TRANSDUCTOR PIEZOELÉCTRICO