Capítulo 3 Medidas de presión

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1 Capítulo 3. Medidas de presión Capítulo 3 Medidas de presión 3.1 Unidades y clases de presión La presión es una fuerza por unidad de super cie y puede expresarse en unidades tales como pascal, bar, atmósferas, kilogramos por cen metro cuadrado y psi (libras por pulgada cuadrada). En el Sistema Internacional (S.I.) está normalizada en pascal de acuerdo con las Conferencias Generales de Pesas y Medidas 13 y 14, que tuvieron lugar en París en octubre de 1967 y 1971, y según la Recomendación Internacional número 17, ra cada en la III Conferencia General de la Organización Internacional de Metrología Legal. El pascal es 1 newton por metro cuadrado (1 N/m 2 ), siendo el newton la fuerza que aplicada a un cuerpo de masa 1 kg le comunica una aceleración de 1 m/s 2. Como el pascal es una unidad muy pequeña, se emplean también el kilopascal (1 kpa = 10-2 bar), el megapascal (1 MPa = 10 bar) y el gigapascal (1 GPa = bar). En la industria se u liza también el bar (1 bar = 10 5 Pa = 1,02 kg/cm 2 ) y el kg/cm 2, si bien esta úl ma unidad, a pesar de su uso todavía muy extendido, se emplea cada vez con menos frecuencia, en par cular en nuevas plantas. Tabla 3.1 Unidades de presión En la tabla 3.1 guran las equivalencias entre estas unidades. En la gura 3.1 se representan los instrumentos de presión, vacío y su campo de aplicación. En la gura 3.2 se indican las clases de presión absoluta o diferencial que los instrumentos miden comúnmente en la industria. Presión absoluta que se mide con relación al cero absoluto de presión (puntos A y A' de la gura). Presión atmosférica es la presión ejercida por la atmósfera terrestre medida mediante un barómetro. A nivel del mar, esta presión es próxima a 760 mm (29,9 pulgadas) de mercurio absolu- 91

2 Instrumentación Industrial tos o 14,7 psia (libras por pulgada cuadrada absolutas) o bien 1,01325 bar o 1,03322 Kg/cm 2 y estos valores de nen la presión ejercida por la atmósfera estándar. Figura 3.1 Instrumentos de presión y campo de aplicación Presión rela va, que es la diferencia entre la presión absoluta y la atmosférica del lugar donde se realiza la medición (punto B de la gura). Hay que señalar que al aumentar o disminuir la presión atmosférica, disminuye o aumenta respec vamente la presión leída (puntos B' y B''), si bien ello es despreciable al medir presiones elevadas. Presión diferencial es la diferencia entre dos presiones, puntos C y C'. Vacío es la diferencia de presiones entre la presión atmosférica existente y la presión absoluta, es decir, es la presión medida por debajo de la atmosférica (puntos D, D' y D"). Viene expresado en mm columna de mercurio, mm columna de agua o pulgadas de columna de agua. Las variaciones de la presión atmosférica in uyen considerablemente en las lecturas del vacío. 3.2 Elementos mecánicos Podemos dividirlos en elementos primarios de medida directa que miden la presión comparándola con la ejercida por un líquido de densidad y altura conocidas (barómetro cubeta, manómetro de tubo en U, manómetro de tubo inclinado, manómetro de toro pendular, manómetro de campana) y en elementos primarios elás cos que se deforman con la presión interna del uido que con enen. 92

3 Capítulo 3. Medidas de presión Figura 3.2 Clases de presión Los elementos primarios elás cos más empleados son el tubo de Bourdon, el elemento en espiral, el helicoidal, el diafragma y el fuelle. Los materiales empleados normalmente son acero inoxidable, aleación de cobre o níquel o aleaciones especiales como hastelloy y monel. El tubo de Bourdon es un tubo de sección elíp ca que forma un anillo casi completo, cerrado por un extremo. Al aumentar la presión en el interior del tubo, éste ende a enderezarse y el movimiento es transmi do a la aguja indicadora, por un sector dentado y un piñón. Figura 3.3 Tubo Bourdon El elemento en espiral se forma arrollando el tubo Bourdon en forma de espiral alrededor de un eje común, y el helicoidal arrollando más de una espira en forma de hélice. Estos elementos proporcionan un desplazamiento grande del extremo libre y, por ello, son ideales para los registradores. Figura 3.4 Elemento en espiral El diafragma consiste en una o varias cápsulas circulares conectadas rígidamente entre sí por soldadura, de forma que al aplicar presión, cada cápsula se deforma y la suma de los pequeños desplazamientos es ampli cada por un juego de palancas. El sistema se proyecta de tal modo que, al 93

4 Instrumentación Industrial aplicar presión, el movimiento se aproxima a una relación lineal en un intervalo de medida lo más amplio posible con un mínimo de histéresis y de desviación permanente en el cero del instrumento. Figura 3.5 Diafragma y fuelle El fuelle es parecido al diafragma compuesto, pero de una sola pieza exible axialmente, y puede dilatarse o contraerse con un desplazamiento considerable. Los elementos primarios de presión absoluta consisten en un conjunto de fuelle y muelle opuesto a un fuelle sellado al vacío absoluto. El movimiento resultante de la unión de los dos fuelles equivale a la presión absoluta del uido. El material empleado para los fuelles es latón o acero inoxidable. Se u lizan para la medida exacta y el control preciso de bajas presiones, a las que puedan afectar las variaciones en la presión atmosférica. Por ejemplo, en el caso de emplear un vacuómetro para el mantenimiento de una presión absoluta de 50 mm de mercurio en una columna de des lación, el punto de consigna sería de 710 mm, con una presión atmosférica de 760 mm. Si la presión atmosférica cambiase a 775 mm, el vacuómetro indicaría: = 725 mm, con lo cual la presión absoluta en la columna sería controlada a = 65 mm, es decir, a un 30% más de la deseada. Figura 3.6 Manómetro de presión absoluta A señalar que los restantes elementos de presión descritos anteriormente (Bourdon, espiral, diafragma, fuelle) miden la presión rela va, ya que la presión del uido se encuentra dentro del elemento, mientras que en el exterior actúa la presión atmosférica. 94

5 Capítulo 3. Medidas de presión En la medida de presiones de uidos corrosivos pueden emplearse elementos primarios elás cos con materiales especiales en contacto directo con el uido. Sin embargo, en la mayoría de los casos, es más económico u lizar un uido de sello de diafragma (glicerina o silicona), que llena totalmente la conexión de proceso del instrumento, cuando el uido es altamente viscoso y obtura el elemento (tubo Bourdon, por ejemplo), o bien, cuando la temperatura del proceso es demasiado alta. Esto ocurre en la medición de presión del vapor de agua en que el agua condensada aísla el tubo Bourdon de la alta temperatura del vapor. Asimismo, se emplean sellos volumétricos de diafragma y de fuelle que con enen un líquido incompresible para la transmisión de la presión. Una rotura con escape del líquido de sello inhabilita el instrumento. Los instrumentos de presión deben estar aislados con una válvula de cierre para su desmontaje del proceso. Cuando la presión del proceso supera los 25 bar se necesita otra válvula de alivio para evitar un posible accidente en el desmontaje del aparato. De este modo, el operario primero cierra la válvula de aislamiento y abre, a con nuación, la válvula de alivio para liberar la presión dentro de la toma interna de presión del aparato. Si no procediera así, el uido podría accidentar al operario, al darle directamente en la cara al desenroscar el instrumento. El recorrido de la tubería de instalación debe hacerse siguiendo una inclinación hacia arriba si el uido es un gas (posibles condensaciones de humedad o vapores) y hacia abajo si es un líquido (para la eliminación de burbujas de aire). En los casos en que la temperatura es alta, tal como la medida de presión de vapor de agua con un manómetro, es más barato u lizar una lira (pigtail) que enfría el vapor y lo condensa, u lizando así el agua como uido de sello. Si el uido no condensa, basta una longitud de tubería rela vamente larga para enfriarlo (el uido no circula, por lo que la tubería no debe ser tampoco excesivamente larga). Longitudes mayores de 25 m requieren el uso de un transmisor. Si la temperatura del proceso es superior a los límites tolerados por el instrumento, se prevé una longitud de tubería su ciente sin aislar ni tracear, para bajar (o elevar) la temperatura a límites aceptables. Normalmente, una longitud de tubería de ½" sin aislar de 75 a 100 cm, es su ciente para bajar la temperatura desde unos 500 C a menos de 100 C. Figura 3.7 Accesorios del tubo Bourdon (lira, amortiguador, diafragma) 95

6 Instrumentación Industrial Los tubos capilares de los separadores de diafragma deben instalarse cuidadosamente, aislados de cualquier fuente variable de calor (tuberías de traceado de vapor o proceso, etc.) y protegidos mecánicamente en bandejas. Después de la instalación debe comprobarse si es signi ca vo el error debido a la columna hidrostá- ca entre la toma de proceso y el instrumento y efectuar, en su caso, la correspondiente corrección sobre el cero. En los transmisores esta corrección se realiza con la supresión o elevación de cero. Si se conoce o se supone la existencia de vibraciones o pulsaciones (por ejemplo tuberías cercanas a máquinas alterna vas, bombas dosi cadoras, etc.) se preverán, en fase de proyecto, manómetros con amor guadores o, como alterna va, manómetros especialmente diseñados para estos servicios. En algunos casos puede u lizarse el relleno de glicerina para la protección de vibraciones o pulsaciones del proceso. Si hay transmisión de vibraciones de alguna máquina o equipo, podrán u lizarse la guillos exibles. En general, los instrumentos de presión se conectan al proceso después de que las líneas han sido perfectamente lavadas y probadas hidrostá camente. En la tabla 3.2 gura un resumen de los dis ntos elementos mecánicos de presión. Tabla 3.2 Elementos mecánicos de presión 3.3 Elementos electromecánicos Los elementos electromecánicos de presión u lizan un elemento mecánico combinado con un transductor eléctrico, que genera la correspondiente señal eléctrica. 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. Los elementos electromecánicos se clasi can según el principio de funcionamiento en los siguientes pos: resis vos, magné cos, capaci vos, extensométricos y piezoeléctricos. Los elementos resis vos están cons tuidos de un elemento elás co ( po Bourdon o cápsula) que varía la resistencia óhmica de un potenciómetro en función de la presión. El potenciómetro puede adoptar la forma de un sólo hilo con nuo, o bien estar arrollado a una bobina siguiendo un valor lineal o no de resistencia. 96

7 Capítulo 3. Medidas de presión Figura 3.8 Elemento resistivo El movimiento del elemento de presión se transmite a un brazo móvil aislado que se apoya sobre el potenciómetro de precisión. Éste está conectado a un circuito de puente de Wheatstone. Los elementos de inductancia variable u lizan el transformador diferencial variable lineal (LVDT = Linear Variable Diferencial Transformer) que proporciona una señal en c.a. proporcional al movimiento de una armadura de material magné co situada dentro de un imán permanente o una bobina que crea un campo magné co. Al cambiar la posición de la armadura, por un cambio en la presión del proceso, varía el ujo magné co. Esta variación del ujo da lugar a una corriente inducida en la bobina que es, por tanto, proporcional al grado de desplazamiento de la armadura móvil. Figura 3.9 Transductor de inductancia variable con transformador diferencial variable lineal (LVDT) Los elementos de reluctancia variable se basan en el desplazamiento mecánico, debido a la presión, de un núcleo magné co situado en el interior de una o dos bobinas. Estas bobinas están conectadas a un puente de c.a. y la tensión de salida es proporcional a la presión del uido. El sensor está conectado a un puente alimentado por una tensión alterna de frecuencias entre 1 KHz a 10 KHz. La variación de la reluctancia magné ca produce una modulación de inductancia efec va que es función de la presión del uido. Los elementos capaci vos 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 ene forma de diafragma y se encuentra situada entre dos placas jas. De este modo, se enen dos condensadores uno de capacidad ja o de referencia y el otro de capacidad variable, que pueden compararse en circuitos oscilantes o bien en circuitos de puente de Wheatstone alimentados con corriente alterna. 97

8 Instrumentación Industrial Figura 3.10 Transductor de reluctancia variable Figura 3.11 Transductor capacitivo Los elementos de galgas extensiométricas se basan en la variación de longitud y de diámetro, y por lo tanto de resistencia, que ene lugar cuando un hilo de resistencia se encuentra some do a una tensión mecánica por la acción de una presión. Existen dos pos de galgas extensiométricas, galgas cementadas, formadas por varios bucles de hilo muy no que están pegados a una hoja base de cerámica, papel o plás co, y galgas sin cementar, donde los hilos de resistencia descansan entre un armazón jo y otro móvil bajo una ligera tensión inicial. La aplicación de presión es ra o comprime los hilos, según sea la disposición que el fabricante haya adoptado, modi cando la resistencia de los mismos. Las galgas extensiométricas enen una respuesta frecuencial excelente y pueden u lizarse en medidas está cas y dinámicas. No son in uidas por campos magné cos, pero presentan una señal de salida débil, son muy sensibles a vibraciones y enen una estabilidad dudosa a lo largo del empo de funcionamiento. 98

9 Capítulo 3. Medidas de presión Figura 3.12 Galgas extensiométricas Una innovación de la galga extensiométrica la cons tuyen los elementos de presión de silicio difundido. Están formados por un elemento de silicio situado dentro de una cámara conteniendo silicona que está en contacto con el proceso a través de un diafragma exible. El sensor está fabricado a par r de un monocristal de silicio, en cuyo seno se difunde boro para formar varios puentes de Wheatstone, cons tuyendo así una galga extensiométrica autocontenida. Se montan en partes del instrumento protegidas contra agresiones exteriores, de tal modo que los instrumentos que las con enen, principalmente transmisores, son muy robustos y pueden trabajar durante largos períodos de empo sin prác camente mantenimiento. Están unidos a aparatos digitales con microprocesador, lo que permite funciones diversas, tales como la selección de las unidades de ingeniería, autodiagnós co, linealización perfecta de la señal de salida, sin que sean necesarias las operaciones periódicas de calibración, picas de los instrumentos analógicos convencionales. Los elementos piezoeléctricos son materiales cristalinos que, al deformarse sicamente por la acción de una presión, generan un potencial eléctrico. Dos materiales picos en los transductores piezoeléctricos son el cuarzo y el tanato de bario, capaces de soportar temperaturas del orden de 150 C en servicio con nuo y de 230 C 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 y de experimentar deriva en el cero y precisar ajuste de impedancias en caso de fuerte choque. Asimismo, su señal de salida es rela vamente débil, por lo que precisan de ampli cadores y acondicionadores de señal que pueden introducir errores en la medición. Los elementos de película delgada son sensores piezoresis vos, adecuados para presiones superiores a 25 bar, que consisten en membranas cubiertas con una capa de resistencia, cuyo valor cambia con la aplicación de presión. La membrana de acero inoxidable con ene una capa de aislamiento de SiO 2 de un espesor de 4-6 mm. Sobre dicha capa de resistencia y mediante un proceso fotolitográ co se cauterizan las bandas extensiométricas y se van depositando otras capas, todo ello 99

10 Instrumentación Industrial u lizando la tecnología de película delgada. La deformación de la membrana es mínima, del orden de micras, por lo que posee buenas caracterís cas dinámicas. Las bandas en número de cuatro se conectan a un puente de Wheatstone. Figura 3.13 Elemento piezoeléctrico En la tabla 3.3 pueden verse las caracterís cas de los elementos electromecánicos descritos. Tabla 3.3 Características elementos electromecánicos 3.4 Elementos electrónicos de vacío Los elementos electrónicos de vacío se emplean para la medida de alto vacío, son muy sensibles y se clasi can en los siguientes pos: Medidor McLeod. Mecánicos Tubo Bourdon, fuelle y diafragma. 100

11 Capítulo 3. Medidas de presión Propiedades de un gas Conduc vidad térmica. Térmicos Termopar, Pirani, bimetal. Ionización Filamento caliente, cátodo frío. En la gura 3.14 pueden verse los campos de trabajo de los elementos electrónicos de vacío. Figura 3.14 Campos de trabajo de los elementos electrónicos de vacío. Fuente: Kurt J. Lesker El medidor McLeod se u liza como aparato primario de calibración de los restantes instrumentos. Se basa en comprimir una muestra del gas de gran volumen conocido a un volumen más pequeño y a mayor presión mediante una columna de mercurio en un tubo capilar de volumen conocido. La presión del gas se deduce aplicando la ley de Boyle-Mario e. Su intervalo de medida es de 1 a 10-4 mm Hg. Debido a la compresión que se realiza en la medida no puede u lizarse para vapores. Figura 3.15 Medidor McLeod 101

12 Instrumentación Industrial El tubo Bourdon combina la medida de presión y vacío con la escala dividida en dos partes, a la izquierda el vacío (cm de Hg y puldadas de mercurio) y a la derecha Kg/cm 2 (bar) y psi. Figura 3.16 Tubo Bourdon de medida de presión y vacío. Fuente: Wikipedia Los elementos mecánicos de fuelle y de 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. Al ser disposi vos mecánicos, las fuerzas disponibles a presiones del gas muy bajas son tan pequeñas que estos instrumentos no son adecuados para la medida de alto vacío, estando limitados a valores de 0,00001 mm Hg abs. Pueden llevar acoplados elementos eléctricos del po de galga extensiométrica o capaci vos. En la gura 3.17 puede verse un medidor de vacío de capacitancia con diafragma Figura 3.17 Medidor de vacío de capacitancia con diafragma Los aparatos basados en las propiedades de un gas miden la conduc vidad térmica o la viscosidad. Estos parámetros varían de forma no lineal con la presión y dependen de la composición del gas, por lo que son inexactos. Trabajan entre 100 mm Hg abs y 0,0001 mm Hg abs. Los elementos térmicos se basan en el principio de la proporcionalidad entre la energía disipada desde la super cie caliente de un lamento calentado por una corriente constante y la presión del gas ambiente cuando el gas está a bajas presiones absolutas. Son el elemento térmico de termopar, el elemento Pirani y el elemento bimetálico. 102

13 Capítulo 3. Medidas de presión Figura 3.18 Transductores térmicos El elemento de termopar mide presiones entre 10 mm Hg y 0,001 mm Hg mediante la medición de las tensiones generadas en una serie de termopares soldados a un lamento caliente expuesto al gas. El lamento alcanza una temperatura de equilibrio que viene determinada por la can dad de energía extraída del gas. A presiones más altas, más moléculas del gas chocan contra el lamento y extraen más energía que a bajas temperaturas, con lo cual aumenta la f.e.m. del termopar. En el elemento Pirani, dos lamentos de pla no (referencia y medida) forman parte de dos brazos de un puente de Wheatstone. El lamento de referencia está inmerso en un gas conocido a presión constante, mientras que el lamento de medida está expuesto al gas a valorar. Los lamentos se calientan a través del puente y se man enen a una temperatura constante. Las moléculas del gas que chocan contra el elemento de medida extraen energía que es detectada y sus tuida por el circuito de realimentación. Cubren el intervalo de presiones de 10 mm Hg a 10-5 mm Hg. El elemento de convección ene la misma estructura que el de termopar o el Pirani, con la diferencia de que la convección natural de los gases extrae el calor del lamento caliente. Intervalo de medida de 10 mm Hg a 1 atmósfera. Los elementos de ionización se basan en la formación de los iones que se producen en las colisiones que existen entre moléculas y electrones (o bien par culas alfa en el po de radiación). La velocidad de formación de estos iones, es decir la corriente iónica, varía directamente con la presión. Los forman el elemento de lamento caliente y el elemento de cátodo frío. Cubren el intervalo desde 10-4 y 10-9 mm Hg abs. Los elementos de cátodo ( lamento) caliente (Bayard/Alpert (B-A) and Schulz-Phelps (S-P)) emiten electrones termoiónicos de 70 ev que ionizan las moléculas de gas residual contra las que chocan. La corriente al colector (-150 V) varía con la densidad del gas, es decir con el número de moléculas por unidad de volumen (cc), lo que es una medida directa de la presión del gas. 103

14 Instrumentación Industrial Figura 3.19 Elementos de ionización (Filamento caliente y Cátodo frío) Los elementos de cátodo ( lamento) frío están basados en una descarga mantenida por un campo magné co externo que fuerza a los electrones a seguir una trayectoria en hélice con una alta probabilidad de ionizar el gas residual. El número de iones captados determina la presión del gas. Uno de los modelos es el llamado magnetrón inver do que puede medir de 1 a mm Hg abs, si bien, su puesta en marcha a baja presión puede ser de horas o días. Analizadores de gas residual son espectrómetros especiales de masa que se sitúan en una cámara al vacío y que trabajan en el valor de 10-4 mm Hg abs. Figura 3.20 Analizador de gas residual. Fuente: HORIBA STEC Los detectores de fugas son espectrómetros de masas que detectan concentraciones extremadamente pequeñas de helio en presencia de grandes can dades de otros gases. Pueden captar fugas tan pequeñas como Ncc/seg. Tabla 3.4 Características de los elementos de vacío 104