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

Transcripción

1 James Robles Departamento de Instrumentación Huertas Junior 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 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 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: 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). Fuerza = 1 N 1m 1m Área = 1 m X 1 m = 1 m2 P=F/A P = 1 N 1 m2 P = 1 N/1 m2 P = 1 Pascal (Pa)

5 Principios de Medida - Presión Si el área es circular: Fuerza = 1 lb. P=F/A P = 1 lb. / in2 P = 1.27 psi 1 in. π r2 in.2 Área =.785

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 Principios de Medida - Presión 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

9 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)

10 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

11 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 psi 3 in.

12 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. 56 Libras A = in P=F A P = 56 lb in.2 P = 4.46 psi 2

13 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? 100 psi 12 Ft. A= = ,286 in2in2 A F=PxA F = 100 psi x in2 F = 1,627,776 lbs.

14 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. dia. = 2.26 in. 500 psi 4 in2

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

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

17 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

18 Elementos de Medida de Presión: 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

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

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

21 Elementos de Medida de Presión: 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

22 Elementos de Medida de Presión: Diafragma: Se usa cuando no hay mucho espacio disponible Tiene límites de presión Su movimiento no es lineal

23 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

24 Pressure Gauge Data Sheet (WIKA)

25 Pressure Gauge Data Sheet (Ashcroft)

26 Pressure Gauge Data Sheet (3-D)

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

28 Elementos de Medida de Presión: 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

29 Elementos de Medida de Presión: 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

30 Principios de Medida - Presión Elementos de Medida de 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 en ohmios in. (𝜌) 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 Elementos de Medida de Presión: Strain Gage: A Conductor (Cobre) 𝜌= Ω in. L

32 Principios de Medida - Presión Elementos de Medida de Presión: Strain Gage: A Conductor (Cobre) 𝜌= Ω in. L Si aplicamos una presión sobre el conductor, de tal manera que aumente su largo, entonces habremos cambiado su resistencia. El largo del conductor cambió, digamos a 1.05 in.

33 Principios de Medida - Presión Elementos de Medida de Presión: Strain Gage: A Conductor (Cobre) 𝜌= Ω in. L Si removemos presión sobre el conductor, de tal manera que disminuya su largo, entonces habremos cambiado su resistencia. El largo del conductor cambió, digamos a.95 in.

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

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

37 Elementos de Medida de Presión: 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 Principios de Medida - Presión Elementos de Medida de Presión: Strain Gage: R3 R1 VG VS R4 RSG Al analizar este circuito, nos damos cuenta de la aplicación en detalle. Es un divisor de voltaje utilizado en instrumentación, llamado Wheatsone Bridge. Este circuito responde a la equación:

39 Principios de Medida - Presión Elementos de Medida de Presión: Strain Gage: VS R#3 VG R#4 Al analizar este circuito, nos damos cuenta de la aplicación en detalle. R#1 aumentará su resistencia y R#2 disminuirá su resistencia

40 Principios de Medida - Presión Elementos de Medida de Presión: Strain Gage: VS R#3 VG R#4 Esto nos da el doble del efecto al tener una resistencia aumentando y el otro reduciendo su resistencia.

41 Principios de Medida - Presión Elementos de Medida de Presión: Strain Gage: VS R#3 VG R#4 El aumento en presión provoca que R2 disminuya que R1 aumente su resistencia. Esto hace doblemente sensitivo al circuito, ya que R2 está en el numerador y R1 está en el denominador de la fórmula.

42 Principios de Medida - Presión Elementos de Medida de Presión: Strain Gage: VS R#3 VG R#4 Una disminución en presión provoca que R2 aumente y que R1 disminuya su resistencia.

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

44 Elementos de Medida de Presión: 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

45 Elementos de Medida de Presión: 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 estasble Presión Oscilador Capacitor Rectificador Onda Onda Atenuada Señal Rectificada

46 Elementos de Medida de Presión: Transmisor de Presión: Puerto para Cableado Electrónica del Transmisor Pantalla LCD Puerto de Entrada de Presión Cámara del sensor de Presión

47 Elementos de Medida de Presión: Transmisor de Presión:

48 Calibración Elementos de Medida de Presión: Dead Weight Tester:

49 Calibración Elementos de Medida de Presión: Manómetros de Presión:

50 Calibración Elementos de Medida de Presión: Fluke 725 y Módulo de Presión:

51 Calibración Elementos de Medida de Presión: Bombas Manuales de Generación de Presión:

52 Preguntas, dudas, comentarios?

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