MEDICIÓN DE PRESIÓN P = F/A. Presión Absoluta, se mide con relación al cero absoluto de presión, puntos A y A' en la figura.

Transcripción

1 CAPITULO III MEDICIÓN DE PRESIÓN INTRODUCCIÓN.- La medición de presión, es una de las aplicaciones mas frecuentes en los procesos industriales, en especial si se trabaja con líquidos, gas, vapor o aire. La presión es una fuerza por unidad de superficie: P = F/A Se expresa en Kg/cm 2, psi (libras por pulgada cuadrada), bar, atmósferas, siendo la tendencia a normalizar a pascales (Newton por metro cuadrado = N/m 2 ) de símbolo Pa de acuerdo con las Conferencias Generales de Pesas y Medidas 13 y 14 que tuvieron lugar en París de 1967 y 1971 y según la Recomendación Internacional numero 17 en la III Conferencia General de la Organización Internacional y Metrología Legal. La presión se mide en valores absolutas o diferenciales, la siguiente figura muestra los tipos de presiones que los instrumentos miden comúnmente en la Industria. Presión Absoluta, se mide con relación al cero absoluto de presión, puntos A y A' en la figura. Presión Atmosférica, es la presión ejercida por la atmósfera terrestre medida mediante los barómetros. A nivel del mar, esta presión es de 760mm de mercurio absolutos o 14,7 psi. Presión Relativa, es la determinada por un instrumento que mide la diferencia entre la presión absoluta y la atmosférica del lugar donde se efectúa la medición, punto B en la figura. Hay que tomar en cuenta, que al aumentar o disminuir la presión Atmosférica, disminuye o aumenta respectivamente la presión leída, puntos B y B" en la Fig. Presión Diferencial, es la diferencia entre dos presiones, puntos C y C' en la figura. 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, punto D, D'y D". Generalmente viene expresado en mm columna de mercurio (mm c.hg), mm columna de agua (mm c.a.). Las variaciones de la presión Atmosférica influyen considerablemente en las lecturas del Vacío. El campo de medición de los medidores o instrumentos de presión es amplio y abarca desde valores muy bajos (Vacío) hasta presiones de miles de Kg/cm 2. Los instrumentos de medición de presión se clasifican en tres grupos: mecánicos, neumáticos, electromecánicos y electrónicos. Los instrumentos que realizan la medición de presión relativa o presión diferencial se denominan manómetros, en cambio los instrumentos que realizan la medición del vacío, se denominan vacuómetros.

2 3.2.- TIPOS DE MEDIDORES DE PRESIÓN Los instrumentos para medición de presión pueden ser indicadores, registradores, transmisores y controladores, que pueden clasificarse de la siguiente forma: INSTRUMENTOS DE PRESIÓN MECÁNICOS.- Se dividen en: - Elementos primarios de medida directa o no elásticos, que miden la presión comparándola con la ejercida por un líquido de densidad y alturas conocidas como ser barómetro cubeta, manómetro de tubo en U, manómetro de tubo inclinado, manómetro de toro pendular, manómetro de campana. - Elementos primarios elásticos que se deforman por la presión interna del fluido que contienen. Los elementos primarios elásticos más empleados son: el tubo Bourdon, el elemento en espiral, el helicoidal, el diafragma y el fuelle, los cuales se describen a continuación.

3 TUBO BOURDON.- Es un tubo de sección elíptica que forma un anillo casi completo, cerrado por un extremo (manómetro C tipo Bourdon), al aumentar la presión en el interior del tubo, éste tiende a enderezarse y el movimiento es transmitido a la aguja indicadora del manómetro, por un sector dentado y un piñón. La ley de deformación del tubo Bourdon es bastante compleja y ha sido determinada empíricamente a través de numerosas observaciones y ensayos en varios tubos. El material empleado normalmente para la construcción del tubo Bourdon es de: acero inoxidable, aleación de cobre o aleaciones especiales como hastelloy y monel. Generalmente los manómetros construidos en base a tubos bourdon, se utilizan para presiones elevadas desde 0,5 Bar (0,5 Kg/cm 2) hasta 6000 Bar (6000 Kg/cm 2 ). Los fabricantes ofrecen manómetros de diferentes escalas y unidades. Conexiones NPT (National Pipe Taper) de diferentes medidas como ser 3/4", 1/2", 1/4" y 1/8", para todo tipo de aplicaciones. Estos manómetros son los más utilizados en las aplicaciones industriales. Para instalaciones donde existe bastante vibración se utilizan manómetros llenos de glicerina. La elección de un determinado manómetro se realiza en función de: el tipo de fluido (liquido, gas o aire), la presión máxima y temperatura del fluido de trabajo del sistema, exactitud y resolución del manómetro y la NPT de conexión. La siguiente figura muestra este tipo de manómetro. Estructura interna: Versión industrial: NPT NPT

4 Las siguientes figuras muestra las características principales de los manómetros de tubo Bourdon de la marca WIKA alemán. El manómetro tipo es apropiado para medios gaseosos o líquidos, también para medios de baja viscosidad y no cristalizantes, así como en entornos agresivos. Características: - Ejecución en Diámetro nominal de 63, 100, 160 mm. - Clase de exactitud según EN /6. - DN 63: 1,6% sobre el fondo de escala. - DN 100, 160: 1,0% sobre el fondo de escala. - Rango de medición según EN /5. - DN 63: desde hasta bar. - DN 100: desde ,6 hasta bar. - DN 160: desde ,6 hasta bar. Opciones: - Borde frontal o dorsal en acero inoxidable. - Borde frontal en acero inoxidable pulido. - Aro de montaje tipo coche en acero inoxidable pulido con soporte de fijación. - Contactos eléctricos. - Transmisor.

5 Para ambientes con bastante vibración se utilizan los manómetros llenos con glicerina, como se aprecia en la siguiente figura: ELEMENTO EN ESPIRAL Y HELICOIDAL.- Se forma arrollando el tubo Bourdon en forma de espiral alrededor de un eje común. 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. Al igual que los manómetros con tubo Bourdon, los manómetros con elemento en espiral y elemento helicoidal se utilizan para presiones relativamente elevadas, desde 0,5 bar. hasta 5000 bares. Existen manómetros de diferentes escalas y unidades y la elección de los mismos se realiza de la misma manera que los de tubo Bourdon.

6 DIAFRAGMA.- Consiste en una o varias cápsulas circulares conectadas rígidamente entre si por soldadura, de forma que al aplicar presión, cada cápsula se deforma y la suma de los pequeños desplazamientos es amplificada por un juego de palancas y convertida en un movimiento rotacional de un punto concéntrico a ser indicado en la escala de medición. El sistema se proyecta de tal modo que, al aplicar presión, el movimiento se aproxima a una relación lineal en un intervalo de medida lo mas amplio posible con un mínimo de histéresis y de desviación permanente en el cero del instrumento. El material del diafragma es generalmente aleación de Níquel o Inconel X. Los manómetros construidos en base a diafragma, se utilizan para la medición pequeñas presiones y vacío desde mbar hasta bar. Normalmente el diafragma viene encapsulado entre dos bridas, tal como se aprecia en las siguientes figuras: La siguiente figura y tabla muestra las características principales de los manómetros de diafragma de la marca WIKA alemán.

7 FUELLE.- Es similar al diafragma compuesto, pero de una sola pieza flexible axialmente, y puede dilatarse o contraerse con un desplazamiento considerable. Los elementos de fuelle se caracterizan por su larga duración, demostrada en ensayos en los que han soportado sin deformación alguna millones de ciclos de flexión. El material empleado para la fabricación del fuelle es usualmente bronce fosforoso y el muelle es tratado térmicamente para mantener fija su constante de fuerza por unidad de compresión. Este tipo de manómetros se utilizan para pequeñas presiones desde 100 mm c.d.a. hasta 2 Bares MEDIDORES 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 fluido. El material utilizado para la construcción de los fuelles es latón o acero inoxidable. Se utilizan 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 destilación, el punto de consigna en el vacuómetro, sería de 710 mm Hg., con una presión atmosférica de 760 mm Hg. Si la presión atmosférica cambiase a 775 mm Hg, el vacuómetro indicaría: = 725 mm Hg. con lo cual la presión absoluta en la columna seria controlada a = 65 mm Hg., es decir, a un 30% mas de la deseada.

8 CÁPSULA.- La cápsula consiste en dos diafragmas unidos y sellados a lo largo de su circunferencia. Varias cápsulas pueden ser combinadas para la medición de bajas presiones. La presión esta normalmente aplicada al interior de la cápsula. La cápsula se deflexiona cuando la presión es aplicada, por medio de un enlace y un mecanismo de movimiento esta deflexión es convertida en la rotación de una aguja indicadora sobre un punto concéntrico. Las cápsulas de presión son aplicadas para la medición de bajas, muy bajas presiones y vacío. Los rangos de medición varían desde 0...2,5 mbar hasta mbar. En la siguiente figura se aprecian tres de los tipos de manómetros mas utilizados en la industria. Manómetros con conversor de ángulo de giro, técnica a 2 hilos, esquema funcional La siguiente tabla muestra las características principales de los manómetros de diafragma de la marca WIKA alemán.

9

10 En la medición de presiones de fluidos corrosivos pueden emplearse elementos primarios elásticos con materiales especiales en contacto directo con el fluido. Sin embargo, en la mayoría de los casos es mas económico utilizar un fluido de sello cuando el fluido es altamente viscoso y obtura el elemento (tubo Bourdon, por ejemplo), o bien, cuando la temperatura del proceso es demasiado alta, tal como ocurre en la medición de presión del vapor de agua, donde el agua condensada aísla el tubo Bourdon de la alta temperatura del vapor. También se emplean sellos volumétricos de diafragma y de fuelle que contienen un liquido incompresible para la transmisión de la presión. Ver la siguiente figura: Las formas físicas y las características técnicas de los sellos tipo cola de chancho se aprecian en las siguientes figuras:

11 INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA - F.N.I. U.T.O. Características: Sifón de cobre: Presión máxima de trabajo 80 Kg/cm2 a 150ºC. Sifón de hierro (SAE 1010): Presión máxima de trabajo 160 Kg/cm2 a 320ºC y 120 Kg/cm2 a 400ºC. Sifón de acero inoxidable (AISI 316): Presión máxima de trabajo 200 Kg/cm2 a 320ºC y 150 Kg/cm2 a 400ºC. Sellos o separadores de membrana: Ejemplo: en un sistema hidráulico de alta presión, circula agua a una presión de 43 Bar y una temperatura de 50oC. Elegir un manómetro para medir la presión. Para la solución de este problema se tienen los siguientes catálogos en las páginas 91 y 92:

12 La calibración de los manómetros se realiza mediante los siguientes equipos que se aprecia en la figura 1: Calibradores digitales: Fig.2 Calibrador digital para manómetros Ejemplo 2: en el siguiente sistema seleccionar un manómetro, sabiendo que el valor de la presión de aspiración es de 150mm.c.H 2 O MEDICIÓN DE PRESIÓN CON ELEMENTOS ELECTROMECANICOS.- Los elementos electromecánicos de presión utilizan un elemento mecánico elástico combinado con un transductor eléctrico que genera la señal eléctrica correspondiente. El elemento mecánico consiste en tubos 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 o transductores de presión se clasifican según el principio de funcionamiento en los siguientes tipos: - Transmisores electrónicos de equilibrio de fuerzas. - Transductores resistivos. - Transductores magnéticos. - Transductores capacitivos. - Transductores Estensométricos.

13 - Transductores piezoeléctricos.

14 INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA - F.N.I. U.T.O TRANSMISORES ELECTRÓNICOS DE EQUILIBRIO DE FUERZAS.- La siguiente figura se aprecia estos transmisores de equilibrio de fuerzas. En estos instrumentos el elemento mecánico de medición, que puede ser un tubo Bourdon, espiral, diafragma o fuelle, ejerce una fuerza sobre una barra rígida del transmisor.

15 Para cada valor de la presión, la barra adopta una posición determinada excitándose un transductor de desplazamiento tal como un detector de inductancia, un transformador diferencial o bien un detector fotoeléctrico. Un circuito oscilador asociado con cualquiera de estos detectores alimenta una unidad magnética y la fuerza generada reposiciona la barra de equilibrio de fuerzas. Se completa así un circuito de realimentación variando la corriente de salida en forma proporcional al intervalo de presiones del proceso. En el transmisor de equilibrio de fuerzas con detector fotoeléctrico, la barra rígida tiene en su extremo una ventanilla ranurada que interrumpe total o parcialmente un rayo de luz que incide en una célula fotoeléctrica de dos elementos. Esta célula forma parte de un circuito de puente de Wheatstone autoequilibrado y, por lo tanto, cualquier variación de presión que cambie la barra de

16 posición, moverá la ventana ranurada y desequilibrará el puente. La señal diferencial que se produce en los dos elementos de la célula es amplificada y excita un servomotor. Este, al girar, atornilla una varilla roscada la cual comprime un resorte de realimentación que a su vez aprieta la barra de equilibrio de fuerzas con una fuerza tal que compensa la fuerza desarrollada por el elemento de presión. De este modo, el sistema se estabiliza en una nueva posición de equilibrio. Este transmisor dispone de un contador óptico-mecánico acoplado al servomotor que señala los valores de presión en una pantalla exterior. Loas transductores electrónicos de equilibrio de fuerzas se caracterizan por tener un movimiento muy pequeño de la barra de equilibrio, poseen realimentación, una elasticidad muy buena y un nivel alto en la señal de salida. Por su constitución mecánica presentan un ajuste del cero y del alcance (span) complicado y una alta sensibilidad a vibraciones y su estabilidad en el tiempo es de media a pobre. Su intervalo de medida corresponde al del elemento mecánico que utilizan: tubo Bourdon, espiral, fuelle, diafragma. La precisión es del orden de 0,5-1% TRANSDUCTORES RESISTIVOS.- Constituyen uno de los transmisores eléctricos mas sencillos. Consisten en un elemento elástico (tubo Bourdon o cápsula) que varia la resistencia óhmica de un potenciómetro en función de la presión. El potenciómetro puede adoptar la forma de un solo hilo continuo o bien estar arrollado a una bobina siguiendo un valor lineal o no de resistencia: potenciómetros de grafito, de resistencia bobinada, de película metálica y de plástico moldeado. En la siguiente figura puede apreciarse un transductor resistivo representativo que consta de un muelle de referencia, el elemento de presión y potenciómetro de precisión. El muelle de referencia es el corazón del transductor ya que su desviación al comprimirse debe ser únicamente una función de la presión y además debe ser independiente de la temperatura, de la aceleración y de otros factores ambientes externos. El movimiento del elemento de presión se transmite a un brazo móvil aislado que se apoya sobre el potenciómetro de precisión. Este esta conectado a un puente Wheatstone. Los transductores resistivos son simples y su señal de salida es bastante potente como para proporcionar una corriente de salida suficiente para el funcionamiento de instrumentos de indicación sin necesidad de amplificación. Sin embargo, son insensibles a pequeños movimientos del contacto del cursor, muy sensibles a vibraciones y presente una estabilidad pobre en el tiempo. El intervalo de medida de estos transmisores corresponde al elemento de presión que utilizan tubo Bourdon, fuelle, varia generalmente de 0-0,1 bar a bar. La precisión es del orden de 1-2%. La presión se determina mediante las siguientes ecuaciones :

17 Donde: k = Constante del fuelle A = Sección del fuelle x = Elongación del fuelle kx P A R rx r = Paso de variación de resistencia en Ohm/mm Combinado ambas ecuaciones: kr P ra TRANSDUCTORES MAGNÉTICOS.- Se clasifican en dos grupos, según el principio de funcionamiento. TRANSDUCTORES DE INDUCTANCIA VARIABLE; consiste en el desplazamiento de un núcleo móvil dentro de una bobina, que aumenta la inductancia de esta en forma casi proporcional a la porción metálica del núcleo contenida dentro la bobina, como se aprecia en la figura: TRANSDUCTOR DE INDUCTANCIA VARIABLE El devanado de la bobina se alimenta con una corriente alterna y la f.e.m. de autoinducción generada se opone a la f.e.m. de alimentación, de tal modo que al ir penetrando el núcleo móvil dentro de la bobina, la corriente que se presenta en el circuito se va reduciendo debido a que se aumenta la f.e.m. de autoinducción. Los transductores de inductancia variable tienen las siguientes ventajas: no producen rozamiento en la medición, tienen una respuesta lineal, son pequeños y de construcción robusta y no precisan ajustes críticos en el montaje. Su precisión es del orden de + 1%.

18 Una aplicación usual es la de un LVDT ( Linear Variable Differential Transformer), en el cuál el núcleo está vinculado a un diafragma. Cuando este se deforma por efecto de la presión, mueve el núcleo y varía el nivel de acoplamiento entre el primario y los secundarios. Con esto se aprovecha todas las ventajas delos LVDT: pequeños, robustos y buena resolución Versiones industriales de estos instrumentos son: TRANSDUCTORES DE RELUCTANCIA VARIABLE; Consisten en un imán permanente o un electroimán que crea un campo magnético dentro del cual se mueve una armadura de material magnético. El circuito magnético se alimenta con una fuerza magnetomotriz constante con lo cual al cambiar la posición de la armadura varia la reluctancia y por lo tanto el flujo magnético. Esta variación del flujo da lugar a una corriente inducida en la bobina que es, por tanto, proporcional al grado de desplazamiento de la armadura móvil, esto se aprecia en la siguiente figura:

19 TRANSDUCTOR DE RELUCTANCIA VARIABLE El movimiento de la armadura es pequeño ( del orden de un grado como máximo en armaduras giratorias) sin contacto alguno con las parte fijas, por lo cual no existen rozamientos eliminándose la histéresis mecánica típica de otros instrumentos. Los transductores de reluctancia variable presentan una alta sensibilidad a las vibraciones, una estabilidad media en el tiempo y son sensibles a la temperatura. Su precisión es del orden de + 0,5 %. Ambos tipos de transductores posicionan el núcleo o la armadura móviles con un elemento de presión como ser tubo Bourdon, espiral, fuelle. Utilizan circuitos eléctricos bobinados de puente de inductancias de corriente alterna TRANSDUCTORES CAPACITIVOS.- 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 el otro de capacidad variable, que pueden compararse en circuitos oscilantes o bien en circuitos de puente Wheatstone alimentados con corriente alterna. Los transductores capacitivos se caracterizan por su pequeño tamaño y su construcción robusta, tienen un pequeño desplazamiento volumetrico y son adecuados para medidas estáticas y dinámicas. Su señal de salida es débil por lo que precisan de amplificadores con el riesgo de introducir errores en la medición. Son sensibles a las variaciones de temperatura y a las aceleraciones transversales y precisan de un ajuste de los circuitos oscilantes y de los puentes de c.a., a los que están acoplados. Un circuito típico es el siguiente:

20 TRANSDUCTOR CAPACITIVO Su intervalo de medida es relativamente amplio, entre 0,05-5 a 0,5-600 bares y su precisión es del orden de + 0,2 a + 0,5%. La versión industrial de estos instrumentos se aprecia en las siguientes figuras: