Esp. Duby Castellanos MEDICIÓN DE LA VARIABLE PRESIÓN. Esp. Duby Castellanos

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1 1 MEDICIÓN DE LA VARIABLE PRESIÓN 2 DEFINICIONES Presión: es la fuerza que un fluido ejerce perpendicularmente sobre la unidad de superficie. Las unidades más comunes para su medición son: Kg/cm 2, PSI (Lb fuerza/pulg 2 ), Pa (N/m 2 ), Bar, Atm (Atmósferas), Pulg H 2 O, mmhg. Masa: propiedad de un cuerpo que se mide por su inercia o resistencia a un cambio en la velocidad de movimiento. Peso: es la fuerza con la que un cuerpo es atraído hacia la tierra por la acción de la fuerza de gravedad. - 1

2 3 DEFINICIONES Densidad: es la cantidad de masa por unidad de volumen de una sustancia. Peso específico: cantidad de peso por unidad de volumen de una sustancia. Densidad Relativa: relación que existe entre la densidad de un líquido y la densidad del agua a una misma temperatura y volumen. 4 DEFINICIONES Tabla de densidad y peso específico del agua (T=4ºC) 1000 Kg masa/m Kg Fza/m 3 0,001 Kg masa/cm 3 0,001 Kg Fza/cm 3 0,036 Lb/pulg 3 0,036 Lb Fza/Pulg 3 - 2

3 5 DEFINICIONES Presión Atmosférica: fuerza ejercida por la capa de aire sobre la superficie de la tierra. Se debe especificar donde se midió, también se conoce como presión barométrica. Presión Absoluta: se mide tomando como referencia el cero absoluto o vacío perfecto. Siempre es positiva. Presión Manométrica o Relativa: se mide sin tener en cuenta la presión atmosférica, por lo que se toma como cero o punto de referencia la presión atmosférica. Puede ser positiva o negativa. La presión de Vacío: presión manométrica negativa. 6 DEFINICIONES Presión diferencial: es la diferencia entre dos presiones medidas en dos puntos diferentes, pero con el mismo nivel de referencia. Fig. 1. Tipos de presión - 3

4 7 DEFINICIONES ECUACIONES DEFINICIONES Ejercicios de conversión de unidades (Tabla). Ejercicios tipos de presión. - 4

5 9 INSTRUMENTOS PARA MEDICIÓN DE PRESIÓN 10 ELEMENTOS DE MEDICIÓN DIRECTA - 5

6 11 ELEMENTOS DE MEDICIÓN DIRECTA Se conocen comúnmente como medidores de presión por desplazamiento de una columna líquida. Funcionan comparando una presión desconocida con la presión ejercida por una columna líquida. Generalmente son de vidrio y en su interior contienen líquidos manométricos. Líquidos Manométricos : Se caracterizan por una densidad constante mayor que la del fluido del proceso, alto punto de ebullición y no deben reaccionar químicamente con el fluido del proceso. Deben tener un color contrastante y baja tensión superficial, para evitar la formación de un menisco prominente. 12 LÍQUIDOS MANOMÉTRICOS Líquido Densidad [Kg/m 3 ] Tensión Superficial [N/m] Mercurio (Hg) Bromoetilbenceno Agua Benceno Aceite de Merian

7 13 MANÓMETRO DE TUBO EN U En este instrumento la diferencia de presiones aplicada es proporcional a la diferencia de alturas entre las ramas de la U. Pueden medirse presiones manométricas, diferenciales o de vacío. Cuando se utiliza agua como fluido manométrico pueden alcanzarse exactitudes de hasta +2 PSI, con el Hg +1,5 PSI. 14 MEDIDOR DE POZO Resulta de sustituir una de las ramas del tubo en U por una vasija con un diámetro lo suficientemente grande para que no haya que tener en cuenta el desplazamiento del líquido en el interior de esta, siendo posible hacer las lecturas en una sola rama. - 7

8 15 MEDIDOR DE POZO El líquido de llenado siempre es mercurio y el tanque se llena hasta alcanzar una altura determinada que será definida como el cero de la escala o referencia. La medición es directa. Generalmente se utilizan como patrones de laboratorio por su excelente resolución. 16 MEDIDORES DE PRESIÓN POR DEFORMACIÓN DEL MATERIAL ELÁSTICO - 8

9 17 MEDIDORES DE PRESIÓN POR DEFORMACIÓN DEL MATERIAL ELÁSTICO En estos medidores el valor de la presión se convierte en un desplazamiento proporcional. Éstos medidores aprovechan el comportamiento elástico que presentan algunos materiales cuando se someten a un esfuerzo, siempre y cuando ese esfuerzo no sobrepase el límite de elasticidad. Si el esfuerzo es tan grande que se sobrepasa este límite la deformación no desaparece al suprimir el esfuerzo sino que se vuelve permanente. La deformación es proporcional al esfuerzo aplicado. 18 MEDIDORES DE PRESIÓN POR DEFORMACIÓN DEL MATERIAL ELÁSTICO Tubo Bourdon Es un tubo doblado en C y su funcionamiento se basa en el principio de deformación elástica. El extremo fijo se conecta a la presión de proceso y el otro extremo es libre y cerrado; y está conectado a un indicador que se desplaza en forma proporcional a la presión medida. - 9

10 19 MEDIDORES DE PRESIÓN POR DEFORMACIÓN DEL MATERIAL ELÁSTICO Tubo Bourdon Los materiales más utilizados para su fabricación son el bronce, latón, acero inoxidable y Monel (aleaciones de Ni y Cu). Sirve para medir presiones entre PSI. 20 MEDIDORES DE PRESIÓN POR DEFORMACIÓN DEL MATERIAL ELÁSTICO Existen otros dos medidores de presión basados en el tubo Bourdon y, por lo tanto, con igual principio de funcionamiento. Elemento Espiral: Consta de varias vueltas enrolladas en espiral y cuando se somete a una presión tiende a desenrollarse. Puede utilizarse para medir presiones manométricas y de vacío. Se utiliza para medir presiones intermedias (300 PSIg aproximadamente) ya que si se somete a presiones muy altas tiene el inconveniente que sus paredes tienden a juntarse. - 10

11 21 MEDIDORES DE PRESIÓN POR DEFORMACIÓN DEL MATERIAL ELÁSTICO Elemento Helicoidal: mide presiones manométricas y cubre rangos incluso superiores al del tubo Bourdon. Fuelles: son cilindros elaborados en una sola pieza, flexibles en una sola dirección axial y pueden dilatarse o contraerse con un desplazamiento considerable. Se utiliza par medir presiones manométricas bajas, no mayores a 30 PSIg y también presiones de vacío. Maneja exactitudes cercanas al 0.5%. El fuelle se caracteriza por su larga duración. El material utilizado en su fabricación es generalmente bronce fosforoso y el fuelle es tratado térmicamente para mantener fija su constante de fuerza por unidad de compresión. 22 MEDIDORES DE PRESIÓN POR DEFORMACIÓN DEL MATERIAL ELÁSTICO Diafragma: consta de una o varias capsulas circulares conectadas entre sí por soldadura. Puede fabricarse en plástico o metal. Se instala entre dos cámaras de medida y puede medir presiones manométricas y presiones diferenciales. - 11

12 23 MEDIDORES DE PRESIÓN POR DEFORMACIÓN DEL MATERIAL ELÁSTICO 24 MEDIDORES DE PRESIÓN POR DEFORMACIÓN DEL MATERIAL ELÁSTICO Sellos: cuando se trabaja con líquidos corrosivos suele utilizarse elementos elásticos con materiales especiales en contacto directo con el fluido, formando un sello que protege el instrumento del proceso. - 12

13 25 MEDIDORES DE PRESIÓN POR DEFORMACIÓN DEL MATERIAL ELÁSTICO 26 MEDIDORES DE PRESIÓN POR DEFORMACIÓN DEL MATERIAL ELÁSTICO Dentro de las principales desventajas que presentan este tipo de elementos, está el hecho de que sufren desgaste mecánico, se ven afectados por el incremento de temperatura por lo que puede ser necesario realizar algún tipo de compensación para evitar errores en la medición, cuando el fluido es corrosivo puede ser necesario utilizar un sello. Como ventajas se puede mencionar que la mayoría de los indicadores de presión utilizan algún tipo de elemento elástico en su construcción, por lo que se encuentran en muchos procesos. - 13

14 MEDIDORES DE PRESIÓN RESISTIVO El dispositivo consta de un potenciómetro de precisión y un brazo oscilante unido a un elemento Bourdon o fuelle. El movimiento del brazo oscilante a través del potenciómetro convierte la deflexión sensada en una variación de resistencia eléctrica utilizando un puente de Wheatstone. 27 MEDIDORES DE PRESIÓN RESISTIVO 28 Ventajas: proporcionan una fuerte señal que puede ser emitida sin necesidad de amplificaciones adicionales, por lo que se puede utilizar en aplicaciones de baja potencia. Desventajas: requieren compensación por temperatura, ya que esta afecta tanto al elemento primario como al potenciómetro. Pueden sensar presiones entre PSIg, dependiendo del elemento primario utilizado; manejan una exactitud entre 0.5% y el 1%, y una precisión del orden 1-2 %. - 14

15 29 GALGA EXTENSOMÉTRICA Aprovecha el cambio de resistencia que sufre un conductor, debido al cambio de sus dimensiones (alargamiento longitudinal y reducción del área transversal) cuando se somete a un esfuerzo mecánico 30 GALGA EXTENSOMÉTRICA Se utilizan adheridas a elementos mecánicos flexibles para medir no solamente presión, sino también fuerza y torque. Requieren una señal de alimentación que se suministra con un puente de Wheatstone. - 15

16 31 GALGA EXTENSOMÉTRICA Manejan un rango de medida que varía a bar, dependiendo de la rigidez del elemento flexible utilizado. Su precisión es del orden del orden 0.5%. Como ventaja se puede mencionar: manejan una muy buena precisión, estabilidad, velocidad de respuesta, como no tienen partes móviles no sufren desgaste mecánico, manejan buenas características al choque y a las vibraciones. Dentro de las desventajas se tiene que son sensibles a la temperatura y muy costosos. 32 SENSOR PIEZOELÉCTRICO Están fabricados con materiales cristalinos que al deformarse por la acción de una presión se polarizan. Se fabrican con materiales como el cuarzo, el titanio de bario y la turmalina. - 16

17 33 SENSOR PIEZOELÉCTRICO Desventajas: son elementos muy sensibles y se ven afectados por la temperatura. No son adecuados para mediciones en condiciones estáticas. Ventajas: son ligeros, pequeños y de construcción robusta. Adecuados para mediciones mecánicas, manejan una alta velocidad de respuesta, además de ser lineales. Medidores de presión basados en un cambio de capacitancia Se basan en la variación de la capacitancia que se produce en un condensador al desplazarse una placa correspondiente al elemento elástico (diafragma). Intervalo de medida 0,05-5 a 0,5-600 bar. Exactitud: +0,2% a + 0.5% de la escala

18 Medidores de presión basados en un cambio de capacitancia Ventajas: se puede medir presiones manométricas y diferenciales, presentan buena linealidad, baja histéresis y buena repetibilidad y resolución. Son económicos. Desventajas: requieren compensación de temperatura y circuitos adicionales (amplificador, circuito oscilatorio) Transformador Diferencial Variable LVDT Está compuesto por un primario y un secundario de iguales características, acoplados magnéticamente mediante un núcleo móvil. - 18

19 37 Transformador Diferencial Variable LVDT 38 Transformador Diferencial Variable LVDT Ventajas: no produce rozamiento en la medición, respuesta lineal, pequeños y robustos. Pueden trabajar con alta humedad ambiental. Desventajas: sensibles a la temperatura, deben apantallarse para evitar interferencias electromagnéticas. - 19

20 LVDT 39 Medidores de desplazamiento 40 Instrumentos electromecánicos - 20

21 41 Simbología ISA S Simbología ISA S

22 43 Referencias Creus Sole, Antonio. Instrumentación industrial. Editorial Marcombo, sexta edición. Rivera Mejía, José. Instrumentación. Editorial Trillas, Wolf, Stanley y Smith F. Guía para mediciones electrónicas y prácticas de laboratorio. Editorial Prentice Hall, segunda edición. González, Carlos. Metrología. Editorial Mc Graw Hill. Cooper, William. Instrumentación Electrónica y mediciones González, Carlos. Metrología. Editorial Mc Graw Hill. Catálogos de fabricantes Posada, N. (2008). Curso de sensores. Notas de clase especialización en automática. UPB. - 22

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