F A. 2. Medición de Presión. Generalización:

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1 . Medición de Presión. Generalización: La presión y la presión diferencial están entre los mas importantes parámetros medidos y controlados en la industria de procesos en la actualidad. Su significado, unidades y dispositivos de medición son importantes para un entendimiento adecuado de lo que está ocurriendo en el proceso y el instrumento usado para la medición. Objetivos Generales: El estudiante será capaz de describir el principio de operación de los diferentes sensores de presión usados en la industria. Modules:.1- Presión. Propiedades Físicas usadas..- Conversión de una unidad de presión a otra..3- Presión Atmosférica, Presión Absoluta y Presión Manométrica..4- Estándares de Presión..5- Transductores de Presión..5- Transmisores de Presión Diferencial.1.- Presión. Propiedades Físicas usadas. Presión. El control de la presión en los procesos industriales da condiciones de operación seguras. Cualquier recipiente o tubería posee cierta presión máxima de operación y de seguridad variando este, de acuerdo con el material y la construcción. Las presiones excesivas no solo pueden provocar la destrucción del equipo, si no también puede provocar la destrucción del equipo adyacente y ponen al personal en situaciones peligrosas, particularmente cuando están implícitas, fluidos inflamables o corrosivos. Para tales aplicaciones, las lecturas absolutas de gran precisión con frecuencia son tan importantes como lo es la seguridad extrema. Presión: Es la cantidad de fuerza ejercida en una unidad de área de una sustancia. Unidades: P F A Sistema Internacional Force N Pascal Area m Pa Medición de Presión 19

2 El Pa es muy pequeño, es más usado kpa = 1000 (Pa) IP Force Area lbf in psi Leyes de Pascal: - La presión actúa uniformemente en todas direcciones - La presión actúa perpendicular mente Ejemplo: P F m A D 1 kg 1cm F A mg, g 0.01 m = 9.81 m s m F (1 kg ) s 9.81N P = Pa m P = 98 kpa N kg mg cm cylinder P=? Donde 1Kgf/cm² = Pa ó 98 kpa Presión debido a la columna de un líquido (Hidrostática). Conceptos y análisis de algunas propiedades físicas necesarias en Instrumentación y relacionadas a la variable Presión. Masa - es una medida de la cantidad de sustancia. Peso - es la "fuerza" con la cual una masa es atraída hacia la tierra por la gravedad. Fuerza -El cambio de velocidad de un cuerpo: Medición de Presión 0

3 F = m a F = mg m = masa a = aceleración m = masa g = aceleración de la gravedad g = 9.81 m/s Note la diferencia entre masa y peso. Para cambiar la velocidad de una masa se requiere la aplicación de una fuerza desbalanceada ". Unidades de Fuerza SI: IP: Newton = (kg)(m/s) = (N) lb = slug ft/s 1 slug = kg Densidad m v masa por unidad de volumen unidades kg / m3 Si despejamos la masa nos queda m = ρ V Donde el V = A h; Sustituyendo tenemos: P = _F_ = _m x g_ = _ ρ A h g_; las area se anulan y nos queda: A A A P = ρ h g (presión de la columna líquida) Nota: La densidad depende de la temperatura de la sustancia. Para los líquidos la densidad varía ligeramente con la presión, esta variación se puede ignorar. Medición de Presión 1

4 Gases son fácilmente compresibles, la temperatura y la presión hay que tenerla en cuenta. Densidad Relativa (Gravedad específica) (Líquidos solamente) de la sustancia RD del agua Nota la temperatura se debe conocer. del agua a 4C 1000 kg / m3 (6.4 lbm / ft 3 ) Ejemplo: Calcular si RD = 0.87 a 15 C Peso Especifico a 15 C = (0.87)( del agua a 4 C) = (0.87)(1000 kg/m 3 ) = 870 kg/m 3 = g (a veces se refiere a densidad de peso) = Densidad del fluido g = Gravedad h = Altura de la columna de líquido Cuando el líquido es agua ρ = 1000 kg / m3 h = 1 mm = m Medición de Presión

5 P = ρ h g = 1000 x x 9.8 = 9.8 Pa P = 9.8 Pa Donde mmh ² O = 9.8 Pa. Cuando el líquido es mercurio ρ = 13.6 kg / m3 h = 1 mm = m P = ρ h g = 13.6 x x 9.8 = Pa P = 133 kpa Donde mmhg = 133 kpa. Cuando el líquido es agua con la altura en pulagadas ρ = 1000 kg / m3 1 pulgada = 5.4 mm h = 1 pulgada = m P = ρ h g = 1000 x x 9.8 = 48.9 Pa P = 50 Pa Donde pgh ² O = 50 Pa. Cuando la masa es en libra y el área en pulgada A = 1 pulgada 1 pulgada = 0,054 cm m = 1 libra 1 libra = 0,454 Kg P = _F_ = 0,454 x 9,8 = 4,449 = 6896 Pa A ( 0,054) 0, Donde PSI = 69 KPa...- Conversión de una unidad de presión a otra. Medición de Presión 3

6 Ejemplo de cálculo: Convertir 15 psi a kpa 15 psi psi? kpa 15 psi = kpa Cuando convertimos unidades de presión dadas como altura de la columna de líquido, el método de conversión anterior da valores aproximados, debido a que la presión es dependiente de la temperatura del líquido. Si se requiere convertir entre diferentes unidades de presión tales como columnas de Hg y Presión Atmosferica Estandar psi kpa bar 9.9"Hg 760 mmhg "WC Co agua, la conversión debe hacerse a través de la ecuación P=gh, para conocer la densidad es necesario conocer la temperatura..3.- Presión Atmosférica, Presión Absoluta y Presión Manométrica. 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, tal como se mide normalmente por medio del barómetro (presión barométrica). Al nivel del mar o a las alturas próximas a este, el valor de la presión es cercano a 14.7 lb/plg (101,35Kpa),,disminuyendo estos valores con la altitud. Presión Atmosférica = 101,35Kpa Medición de Presión 4

7 Presión Manométrica Son normalmente las presiones superiores a la atmosférica, que se mide por medio de un elemento que se define la diferencia entre la presión que es desconocida y la presión atmosférica que existe, si el valor absoluto de la presión es constante y la presión atmosférica aumenta, la presión manométrica disminuye; esta diferencia generalmente es pequeña mientras que en las mediciones de presiones superiores, dicha diferencia es insignificante, es evidente que el valor absoluto de la presión puede abstenerse adicionando el valor real de la presión atmosférica a la lectura del manómetro. La presión puede obtenerse adicionando el valor real de la presión atmosférica a la lectura del manómetro. Presión Absoluta = Presión Manométrica + Presión Atmosférica. Manométrica Atmosf. Local Absoluta Vacio Absoluta Para diferencial manométrica y absoluta las denotamos por: a Para indicar absoluta g Para indicar manométrica psia psig kpaa kpag " H O abs " H O g " Hg abs " Hg g En perfecto vacío ( absoluto ), no hay presión (no hay moléculas). P = 0 kpaa = 0 psia Medición de Presión 5

8 Las lecturas de presión absoluta están referidas a vacío absoluto El término presión manométrica se refiere a una lectura hecha con un instrumento que indica cero a presión atmosférica..4.- Estándares de Presión: Estándar Primario Estándar Secundario - un instrumento que no requiere calibración (i.e. está basado en leyes físicas) - un instrumento que requiere calibración periódica contra un estándar mas exacto. 1) Calibrador de Peso Muerto (DWT) - basado en P F A - muy buena precisión en el pistón, por lo que tiene un área muy exacta. - muy buena precisión en los pesos, por lo que tiene una muy exacta fuerza (F = mg) - tiene una gran exactitud en la medición. Desventaja alto costo $$$$ Ventaja puede ser usado para calibrar presiones desde 5 a 100,000 psig (gran rango alta capacidad de presión) DWT Ejemplo: Medición de Presión 6

9 D Weight P A P piston Weight = piston weight & = F A 1 D lbf 1 ( 0. 5 ) 4 plate p ulg = ( 0. 5 ) lbf. 5 psig Nota: Los pesos en el DWT son "estampados" en unidades de psig, " HO o kpag. ) Manómetro Tubo - U lbf Pressure Scale Atmosphere h - basado en P = gh - se conoce g y muy exactamente, por lo que si leemos h exactamente tendremos una gran exactitud en la presión. Medición de Presión 7

10 Desventajas: - frágiles - solo bajas presiones, h restringida - se toman dos lecturas, incrementando el error - líquidos peligrosos como el Hg Ventajas: - exactitud limitada solo por escala visible - no partes móviles - bajo costo 3) Manómetro de Fuente Desventajas: - similar al tubo U - Exactitud incorporada - la escala se calibra cuando se fabrica - el orificio debe ser uniforme Medición de Presión 8

11 - frágiles - baja presión - escala y orificio única para cada manómetro 4) Manómetro de tubo Inclinado - amplifica el movimiento de la columna de líquido. - por lo que son: mas sensitivos mas exactos - buenos para bajas presiones Todos los manómetros de líquido son sensibles a temperatura y gravedad por lo que estos valores se deben tener en cuenta. Para la medición de presión existen variada gama de instrumentos, muchos de ellos son de comportamiento mecánico usando convertidores Presión Fuerza como los estudiados en el capítulo anterior, entre ellos podemos mencionar: Manómetros de Bourdon C Manómetros de Bourdon Espiral Manómetros de Bourdon Helicoidal Fuelle Diafragma Etc. Estos basan su principio de funcionamiento en la expresión F = P x A Existe también algunos sensores de Presión denominados transductores de Presión que su principio de funcionamiento está basado en atrás propiedades físicas, generalmente son usados en transmisores de Presión, entre los cuales podemos encontrar: Medición de Presión 9

12 .5.- Transductores de Presión. 1. Transductor de presión Strain gauge (Galga Tensiométrica) Si el material es un conductor, su resistencia eléctrica varía con sus dimensiones de la siguiente manera: Generalmente en la práctica el Strain gauge tiene esta forma: El strain gauge mide tensión solo a lo largo de un eje. En este caso en el eje X, ya que una tensión o compresión en el eje Y lo que hace es abrir o cerrar la acordeón.. Transductor de presión por Capacitancia. o kd A C d o = permeabilidad del vacío kd = constante dieléctrica A = área de las placas d = distancia entre las placas Medición de Presión 30

13 Los transductores de presión por capacitancia son comúnmente encontrados como transductores de presión diferencial, pero pueden medir presión absoluta y presión manométrica en dependencia de la conexión de referencia. 3. Transductor de presión magnético. L N A N número de vueltas - permeabilidad del núcleo A área del núcleo - longitud del núcleo.6.- Transmisores de Presión Diferencial El transmisor de Presión Diferencial es un instrumento destinado para recibir la señal de presión en las dos cámaras, una de alta presión y otra de baja presión y transmitirla para su manipulación en los estándares requeridos, estos pueden ser neumáticos, analógicos ó inteligentes. 1. Transmisores Neumáticos Los transmisores neumáticos tienen siempre dos cámaras (Alta y Baja), dispositivos conversores presión fuerza, detectores de movimiento, para así conformar la señal de salida.. Transmisores Analógicos: En los transmisores analógicos el elemento sensor de la presión es uno de los transductores de presión estudiado en este capítulo, además cuenta con circuitos electrónicos que procesan la señal para transmitirla en los estándares establecido, en casi todos su salida es de 4 a 0 ma. Medición de Presión 31

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