Principios de Medida - Presión. James Robles Departamento de Instrumentación Huertas College

Transcripción

1 James Robles Departamento de Instrumentación Huertas College

2 En esta presentación: Definición de presión Unidades de Medida de Presión Ley de Pascal Ejemplos de Cálculo de Presión Elementos de Medida de Presión Pressure Gauge Explicación del Strain Gage Resistivo y sus circuitos Explicación del Método de Capacitancia y sus circuitos Instrumentos de medición y transmisión de presión Calibración de Elementos de Presión

3 Principios de Medida - Presión Presión es una variable física que se representa con la letra p (minúscula) Presión es una fuerza ejercida por un fluído sobre un área específica: Si existe una fuerza (1 lb.) de un fluido ejerciendo sobre un área de 1 in2, entonces la presión es de 1 lb. por pulgada cuadrada (1lb./in2), tambien conocido como psi (pound per square inch). Fuerza = 1 lb. 1 in 1 in Área = 1 in x 1 in = 1 in2 p=f/a p = 1 lb. 1in2 p = 1 lb./1in2 p = 1 psi

4 Principios de Medida - Presión En Métrico: Fuerza = 1 N 1m Si existe una fuerza (1 Newton) de un fluido ejerciendo sobre un área de 1 m2, entonces la presión es de 1 N por metro cuadrado (1 N/m2), tambien conocido como pascal (Pa). 1m Área = 1 m x 1 m= 1 m2 p=f/a p = 1 N 1 m2 p = 1 N/m2 p = 1 Pascal (Pa)

5 Principios de Medida - Presión Si el área es circular: Fuerza = 1 lb. 𝐴 = π𝑟 2 𝐴 = 𝜋 0.5 𝑖𝑛 2 𝐴 = 𝑖𝑛2 𝐴 =.785 𝑖𝑛2 A =.79 in2 p=f/a p = 1 lb. / 0.79 in2 p = 1.27 psi 1 in. Área =.79 in.2

6 Principios de Medida - Presión La Ley de Pascal describe esta relación como: Fuerza = Presión x Área F=pxA De esta expresión, se desprende además: Presión = Fuerza Área Y: p=f A Área = Fuerza Presión A=F p

7 LEY DE PASCAL FUERZA AREA PRESION

8 Presión de Fluidos en Volumen La presión estática en un volumen es igual en todas sus direcciones P

9 Presión Gauge vs. Presión Absoluta Presión Sobre Atmosférica Presión Barométrica Presión Absoluta (psia) Presión Gauge (psig) Presión Gauge ( - in Hg) Presión Absoluta (psia) Presión Atmosférica Presión Bajo Atmosférica Presión Cero Absoluto (Vacío) Existe una presión mínima que se puede considerar como un cero absoluto Es el vacío total Hay una escala que utiliza esta presión como su cero La presión atmosférica en esta escala es de 14.7 psia La otra escala, que es la mas utilizada, es la escala gauge Esta escala utiliza la presión atmosférica como su cero

10 Principios de Medida - Presión Niveles de Presión Atmosférica 10,000 ft. de Altitud -5.2 psig (9.5 psia) 1,000 ft. de Altitud psig ( psia) 100 ft. De Altitud psig ( psia) Nivel del Mar 0 psig (14.7 psia) 20 ft. de Profundidad 8.8 psig (23.5psia)

11 Niveles de Presión Atmosférica Al igual como existen presiones positivas, existen presiones negativas Estas presiones son menor que la presión atmosférica en unidades gauge pero menor de 14.7 psi en la escala absoluta

12 Conversión de Unidades de Presión PSI KPa in. H 2 O mm H 2 O in. Hg mm Hg Bar m Bar Kg/cm 2 gm/cm 2 PSI KPa in. H 2 O mm H 2 O in. Hg mm Hg Bar m Bar Kg/cm gm/cm

13 Principios de Medida - Presión Ejemplo 1: Si una columna de líquido de 6 pulgadas cuadradas pesa 23 libras, Que presión ejerce sobre la base de la columna? A = 3 in. x 2 in. A = 6 in.2 23 libras p=f A p = 23 lb / 6 in.2 p = 3.83 lb/in2 p = 3.83 psi 3 in.

14 Principios de Medida - Presión Ejemplo 2: Si una columna de líquido de 4 pulgadas de diámetro pesa 56 libras, Que presión ejerce sobre la base de la columna? 4 in. 𝐴 = π𝑟 2 𝐴 = 𝜋 2 𝑖𝑛 2 𝐴 = 𝑖𝑛2 A = in2 56 Libras p=f/a p = 56 lb / in.2 p = 4.46 psi

15 Principios de Medida - Presión Ejemplo 3: Si hay un gas a 100 psi en un cilindro de 12 pies de diámetro, Que fuerza ejerce sobre los lados planos del cilindro? 𝐴 = π𝑟 2 𝐴 = 𝜋 72 𝑖𝑛 2 𝐴 = 𝑖𝑛2 100 psi 12 Ft. A= = ,286 in2in2 A F=pxA F = 100 psi x in2 F = 1,627,776 lbs.

16 Principios de Medida - Presión Ejemplo 4: Qué diámetro tiene un pistón que levanta un auto de 2,000 lbs. con 500 psi de presión hidráulica? A=F p A = 2,000 lbs 500 psi A = 4 in2 2,000 lbs. 500 psi A = π 𝑟2 𝑟2 = 𝐴 π 𝑖𝑛 𝑟 = 3.14 𝑟 2 = 1.27 𝑖𝑛2 r = 1.27 𝑖𝑛2 r = 1.13 𝑖𝑛2 dia. = 2.26 in. 4 in2

17 Presión de Fluidos en una Tubería P P La presión estática en una tubería es igual en todas sus dimensiones

18 Presión de Fluidos en una Tubería Menor Velocidad = Mayor Presión Mayor Velocidad = Menor Presión Perfil del Flujo La presión dinámica puede variar dependiendo de factores como cantidad de flujo, fricción de la tubería, curvaturas y elevaciones en la tubería, válvulas u otras restricciones que tenga la línea

19 Bourdon Tube: Utiliza principio de elasticidad de los metales. Las curvaturas tienden a querer enderezar si se le aplica presión Es el método mecánico más utilizado Se usa en los Pressure Gauges Requiere uso de transmisión

20 Bellows: Utiliza principio de elasticidad de los metales (Tipo acordeón). Tiene mas presición que el Tubo Bourdon No requiere transmisión Tiene movimiento lineal

21 Heliciode: Utiliza el mismo principio de los Tubo Bourdon Es el método mecánico más preciso No requiere transmisión Es mas costoso

22 U-Tube: Es el método más antiguo de medición de presión Utiliza el principio del desplazamiento de volúmen Su presición es superior Sólo para presiones bajas Se puede utilizar para medir presiones diferenciales

23 Diafragma: Se usa cuando no hay mucho espacio disponible Tiene límites de presión Su movimiento no es lineal

24 Pressure Gauge Es el dispositivo más utilizado en medición de presión Utiliza el Bourdon Tube en la mayoría de los casos Otro método utilizado es el Helicoid Tube

25 Pressure Gauge Data Sheet (WIKA) James James Robles, Robles, Departamento Departamento de de Instrumentación, Instrumentación, Huertas Huertas College College

26 Pressure Gauge Data Sheet (Ashcroft) James James Robles, Robles, Departamento Departamento de de Instrumentación, Instrumentación, Huertas Huertas College College

27 Pressure Gauge Data Sheet (3-D) James James Robles, Robles, Departamento Departamento de de Instrumentación, Instrumentación, Huertas Huertas College College

28 Low Pressure Gauge (Manómetro Inclinado) Se utiliza para medir presiones ultra-bajas La curvatura amplifica la linealidad de la escala

29 Strain Gage (Piezoresistivo): Utiliza el principio de resistividad de los materiales Se combina con circuitos electrónicos para producir señales de transmisión No tiene límites de presión No tiene partes movibles Es el método más utilizado en los transmisores de presión

30 Principios de Medida - Presión Strain Gage: La resistencia de un conductor depende de su coeficiente de resistividad, su largo y su área seccional. Resistencia en ohmios (Ω), Resistividad (𝜌) en ohmios in y área en circular mils (in). Si el largo aumenta, también la resistencia. Si el área aumenta, la resistencia baja.

31 Principios de Medida - Presión Strain Gage: A Conductor (Cobre) 𝜌 = Ω in. L Ejemplo 1: Cual es la resitencia de un conductor de cobre tamaño AWG 12 y de una pulgada de largo? 𝐿 𝑅=𝜌 𝐴 1 𝑖𝑛 𝑅 = 𝛺 𝑖𝑛 𝑐𝑚𝑖𝑙 𝑅 =.0203 𝛺

32 Principios de Medida - Presión Strain Gage: A Conductor (Cobre) 𝜌= Ω in. L Si se estira el conductor, de tal manera que aumente su largo a 1.05 in., entonces aumenta su resistencia. 𝐿 𝑅=𝜌 𝐴 1.05 𝑖𝑛 𝑅 = 𝛺 𝑖𝑛 𝑐𝑚𝑖𝑙 𝑅 =.0213 𝛺

33 Principios de Medida - Presión Strain Gage: A Conductor (Cobre) 𝜌= Ω in. L Si se comprime el conductor, de tal manera que disminuya su largo a.95 in., entonces su resistencia dismunuye. 𝐿 𝑅=𝜌 𝐴.95 𝑖𝑛 𝑅 = 𝛺 𝑖𝑛 𝑐𝑚𝑖𝑙 𝑅 =.0193 𝛺

34 Strain Gage: Conjunto de conductores } Terminales Entre los terminales del Strain Gage se mide una resistencia que cambia con la presión aplicada al conjunto de conductores. Al aplicar presión, el largo aumenta y la resistencia también aumenta.

35 Strain Gage: Conjunto de conductores } Terminales Al disminuir la presión, el largo disminuye y la resistencia baja.

36 Strain Gage: Como recordamos de los divisores de voltaje, si R SG aumenta, también V SG.

37 Strain Gage: Por lo tanto, el aumento en presión al Strain Gage provoca un aumento en resistencia y en el voltaje que pasa por el Strain Gage.

38 Strain Gage: La medición de este voltaje es una señal directamente proporcional a la presión aplicada.

39 Principios de Medida - Presión Strain Gage (Wheatstone Bridge): R3 + + VG - VS - R1 Strain Gauge R4 RSG Al analizar este circuito, nos damos cuenta de la aplicación en detalle. Son dos divisores de voltaje utilizado en instrumentación, llamado Wheatsone Bridge. Este circuito responde a la equación: 𝑉𝐺 = 𝑉𝑆 𝑅4 𝑅𝑆𝐺 𝑅3 + 𝑅4 𝑅1 + 𝑅𝑆𝐺

40 Principios de Medida - Presión Strain Gage (Wheatstone Bridge): VS VG Strain Gauge Diafragma Presión En el Puente Wheatstone se sustituye una resistencia con un Strain Gauge. Este Strain Gauge está adherida a un diafragma metálico (S.S.). Al recibir presión el diafragma, éste se deforma (se estira) y el strain gauge también, cambiando su resistencia.

41 Principios de Medida - Presión Strain Gage (Wheatstone Bridge): VS R1 R3 VG R4 R2 Este puente tiene dos Strain Gages, uno a cada lado de la viga o diafragma. Esto nos da el doble del efecto al tener dos resistencias cambiando su resistencia. Si no hay fuerza aplicada a la viga, R1, R2, R3 y R4 son iguales y se dice que el puente está balanceado. El voltaje en VG será 0 Vdc. Si R1 o R2 varían, entonces el puente estará desbalanceado y el voltaje VG cambiará.

42 Principios de Medida - Presión Strain Gage (Wheatstone Bridge): VS R3 R4 VG 𝑉𝐺 = 𝑉𝑆 R1 R2 𝑅4 𝑅2 𝑅3 + 𝑅4 𝑅1 + 𝑅2 Si VS = 24 VDC y R1, R2, R3 y R4 son iguales: 𝑉𝐺 = 24 𝑉𝐷𝐶 𝑅1 𝑅1 𝑅1 + 𝑅1 𝑅1 + 𝑅1 1 1 𝑉𝐺 = 24 𝑉𝐷𝐶 2 2 𝑅1 𝑅1 𝑉𝐺 = 24 𝑉𝐷𝐶 2𝑅1 2𝑅1 𝑉𝐺 = 24 𝑉𝐷𝐶 0 𝑉𝐺 = 0 𝑉𝐷𝐶

43 Principios de Medida - Presión Strain Gage (Wheatstone Bridge): VS R3 VG R4 R1 R2 Al aplicarse una fuerza en la viga hacia abajo, R1 (Strain Gage #1) se estira y su resistencia aumenta. Además, R2 (Strain Gage #2) se comprime y su resistencia disminuye. En este caso, el puente está desbalanceado.

44 Principios de Medida - Presión Strain Gage (Wheatstone Bridge): VS R3 VG R4 R1 R2 𝑉𝐺 = 𝑉𝑆 𝑅4 𝑅2 𝑅3 + 𝑅4 𝑅1 +𝑅2 El aumento en presión provoca que R2 disminuya y que R1 aumente su resistencia. Por lo tanto, el voltaje VG aumenta.

45 Principios de Medida - Presión Strain Gage (Wheatstone Bridge): VS R3 VG R4 R1 R2 Al aplicarse una fuerza en la viga hacia arriba, R2 (Strain Gage #2) se estira y su resistencia aumenta. Además, R1 (Strain Gage #1) se comprime y su resistencia disminuye. En este caso, el puente está desbalanceado.

46 Principios de Medida - Presión Strain Gage (Wheatstone Bridge): VS R3 VG R4 R1 R2 𝑉𝐺 = 𝑉𝑆 𝑅4 𝑅2 𝑅3 + 𝑅4 𝑅1 +𝑅2 El decremento en presión provoca que R2 aumente y que R1 disminuya su resistencia. Por lo tanto, el voltaje VG disminuye.

47 Capacitancia: Utiliza el principio del cómputo de capacitancia de un capacitor Se combina con circuitos electrónicos para producir señales de transmisión Tiene límites de presión Tiene partes movibles Es uno de los métodos más utilizado en los transmisores de presión

48 Principios de Medida - Presión La capacitancia de un capacitor depende del área de las placas, la distancia y el dieléctrico del material entre éstas: y d Capacitancia en Faradios, distancia en pulgadas, área en pulgadas cuadradas y dieléctrico en F/m

49 Capacitancia: Diafragma de Medición Presión Placas del Capacitor Sustrato Si el área de las placas y el dieléctrico del material son constantes, entonces podremos cambiar la capacitancia al alterar la distancia entre las placas

50 Capacitancia: Al igual que con el strain gage, el sensor de capacitancia se alimenta a través de un puente pero con la diferencia de que se suple una frecuencia conocida para que el cambio en capacitancia atenúe esta señal Esta señal luego es rectificada para convertirlo a una señal DC estable Presión Oscilador Capacitor Rectificador Onda Onda Atenuada Señal Rectificada

51 Transmisor de Presión: Puerto para Cableado Electrónica del Transmisor Pantalla LCD Puerto de Entrada de Presión Cámara del sensor de Presión

52 Transmisor de Presión:

53 Calibración Dead Weight Tester:

54 Calibración Manómetros de Presión:

55 Calibración Fluke 725 y Módulo de Presión:

56 Calibración Bombas Manuales de Generación de Presión:

57 Preguntas, dudas, comentarios?