1 Facultad: Ingeniería Escuela: Electrónica Asignatura: Instrumentación Industrial Lugar de ejecución: Instrumentación y Control (Edificio 3, 2da planta) Tema: Medición de Presión Objetivo General Evaluar dos métodos para medir presión por medio de sensores piezorresistivos Objetivos Específicos Armar el circuito y calibrar el rango de medición para la presión de líquido. Medir la presión de líquido y gas con sensores de presión piezorresistivos y compararla con los valores calculados Calibrar el sensor de presión para el control de nivel de llenado y controlar su linealidad. Analizar la curva característica de los transductor-acondicionador de señales usados para medir la presión del liquido y gas. Material y Equipo 1 Fuente de Alimentación +/-15 V [SO3538-8D] 1 Voltaje de Referencia [SO3536-5A] 1 Amplificador de potencia [SO3536-7Q] 1 Receptáculo con bomba [SO3536-9H] 1 Tanque de llenado [SO3536-9K] 1 Convertidor de presión a voltaje [SO3535-7U] 1 Hoja transparente graduada para el tanque [SO3536-9W] 1 Regla de 30 cms 11 Puentes Lucas Nülle 1 Multímetro digital 1 Fuente de alimentación Veneta de +/- 12V 1 Fuente de alimentación +24V 1 Tarjeta G35 de Electrónica Veneta 1 Cable DIN 3 Cables de conexión Veneta 1 Unidad de procesamiento de Presión TY 35/ EV Veneta Introducción Teórica La presión es, además de la temperatura, la variable de la física más importante y se define como una fuerza F que se distribuye uniformemente sobre un área A.
2 Instrumentación Industrial. Guía 5 p= F A Ecuación 1 De la unidad de la fuerza, el Newton N, resulta directamente la unidad de la presión Pascal (Pa) 1 Pa = 1 N m 2 Ecuación 2 Un nombre para el megapascal (MPa) es el bar 1 bar = 100 000 Pa = 0.1 MPa Esta unidad es muy práctica debido a que equivale aproximadamente a la presión atmosférica. Igual de práctico resulta en la técnica de medición el milibar (mbar): 1 mbar = 100 Pa = 0.001 bar Las diferentes clases de presión se diferencian solamente por su punto de referencia. El punto de referencia más obvio es la presión cero en un vacío absoluto. La presión que se refiere a este punto se llama presión absoluta P abs. La presión atmosférica P B (subíndice B para barométrico) está sujeta a fluctuaciones climáticas. A nivel del mar tiene un valor medio de 1013.25 mbares (presión normal según la norma DIN 1343). Para tasaciones se puede usar P B = 1 bar. Técnicamente la presión más medida es la diferencia de presión atmosférica. Esta diferencia es el valor entre presión absoluta y presión atmosférica absoluta respectiva (Figura 1). Figura 1. Las diferentes clases de presión. Dependiendo de la magnitud de la presión absoluta obtenemos la sobrepresión P sob (la presión absoluta es más grande que la presión atmosférica) o una subpresión P sub (la presión absoluta es más pequeña que la presión atmosférica). Según la Figura 1:
3 P 1sob = P 1abs - P B Ecuación 3 P 2sub = P B - P 2abs Ecuación 4 La diferencia entre dos presiones p 1 y p 2 se llama diferencia de presión Δp. En casos de medición donde sea relevante la diferencia de presión hablamos de presión diferencial. Si se expone un líquido en un recipiente cerrado a una presión se reparte esta uniformemente para todos los lados. Esta presión en los líquidos se llama presión hidrostática. Como la masa de líquidos no puede ser ignorada, causa su fuerza de peso una presión adicional. Este valor se define por la altura de la columna de líquido y su densidad de masa según la ecuación: P = Δh ρ g Ecuación 5 PROCESO DE PRESIÓN Observe la Figura 2 en la que se muestra la Unidad de procesamiento de presión TY35/EV que se utiliza junto con la tarjeta G35 de Veneta. Dicha unidad consta de un depósito de proceso y de un compresor accionado por un motor eléctrico, cuya función es la de suministrar el gas (en este caso el aire) necesario para obtener cierto nivel de presión estable. El actuador está constituido por una válvula proporcional controlada eléctricamente y montada en la línea de descarga; mientras que el transductor de presión, cuya función es la de suministrar la señal de retroalimentación, se encuentra al lado del depósito. La unidad está también provista de un manómetro para la medición de la magnitud controlada. Una válvula estranguladora controlada manualmente (puesta también al lado del depósito) permite producir variaciones de carga de presión. Por último, hay una válvula de máxima presión (montada en la línea de suministro del aire) que impide que la presión alcance valores peligrosos dentro del depósito y del bloque compresor. El campo de presiones admitido por la unidad TY35/EV es de 0 a 2 Bar Figura 2. Unidad de procesamiento de Presión.
4 Instrumentación Industrial. Guía 5 Procedimiento PARTE I: CALIBRACIÓN DEL RANGO DE MEDICIÓN. Figura 3 Recipiente de llenado. Una columna de líquido, en un tanque de llenado, sirve en este caso como variable de presión. Mediante una bomba es posible llenar el tanque a diferentes niveles, Figura 3. La velocidad de llenado también puede regularse. La perilla de entrada tiene dos puntos marcados, rojo y verde. Si el punto rojo se encuentra abajo significa que la entrada en el fondo del tanque está bloqueada y solamente entra el líquido por el orificio superior. La perilla de salida también dispone de puntos de marcación. El punto rojo indica que está cerrado. Los diferentes tamaños del punto verde indican la velocidad de vaciado. 1. Deje la perilla de entrada con el punto verde arriba y rojo abajo al frente y la de salida con el punto rojo al frente. El sensor de presión es un sensor piezorresistivo de sobrepresión con la gama de 0 a 20 mbares. Por medio de un convertidor P/V da un voltaje proporcional U A proporcional a la presión. Es posible regular el voltaje con un potenciómetro entre los límites 0 a 10V para adaptar el valor al rango de medición. Para impedir el contacto del sensor con el líquido es necesario conectar este con un tubo, que se introduce en el líquido, por medio de una manguera. El líquido sube en el tubo igual que el nivel de llenado. La presión medida es proporcional a la diferencia de altura Δh del líquido en el tubo en la Figura 3. La presión del líquido puede calcularse según la relación de la ecuación 5: P = Δh ρ g Tenga en cuenta que la columna del aire se comprime en el tubo y la manguera durante el proceso de medición.
5 2. Conecte los equipos según la Figura 4, reduzca al mínimo la perilla del voltaje de referencia y coloque el regulador de la bomba en su posición máxima. Figura 4. Montaje y conexión del equipo. 3. Asegúrese que el tubo de medición este dentro del orificio indicado y que también este fijado en el orificio inferior del tanque. 4. Encienda el equipo, aumente lentamente la perilla del voltaje de referencia hasta que se active la bomba y se empiece a llenar el tanque, deje que se llene un poco y luego reduzca la perilla del voltaje de referencia otra vez al mínimo y abra la válvula de salida del tanque (cualquier punto verde al frente). 5. Cuando se vacíe por completo, cierre la válvula de salida (punto rojo al frente) y regule el punto cero del convertidor P/V, si el tanque esta vacío la presión convertida a voltaje debe de dar 0, mida este valor y ajústelo con el potenciómetro llamado ZERO POINT si es necesario. 6. Monte la escala graduada en el tanque. Aumente el voltaje de referencia hasta que el tanque se llene hasta aproximadamente 150 mm sobre el fondo, reduzca el voltaje de referencia al mínimo al llegar a esa altura. Se comprobará el siguiente factor de conversión: F U = 0.005 V/Pa (1V 200Pa)(Asumiendo que 10V equivalgan a una presión de 20 mbares como se dijo antes). 7. Asegúrese e que se encuentre líquido en el tubo durante la calibración (Figura 5) y que solamente la altura Δh determina la presión.
6 Instrumentación Industrial. Guía 5 Figura 5. Calibración 8. Determine Δh después de un tiempo y calcule la presión P. Δh = m P= h g = Pa (g=9.81m/s 2 y para la densidad a 20 C podemos tomar el valor de 1000 kg/m 3.) 9. Mida la salida del transductor presión/voltaje U A = y calcule el factor de conversión F U = U A/P = 10. Tomando el factor de conversión teórica, que valor de voltaje U A le corresponde al valor de presión que se obtuvo U A = p F U V 11. Si no coincide regule este voltaje en el convertidor P/V con el potenciómetro Gain (ganancia ). Así queda calibrado el indicador con el valor 1V = 200 Pa. El convertidor da una señal de salida lineal. PARTE II: MEDICIÓN DE LA PRESIÓN DE FLUIDO. 1. Llene el tanque hasta la altura H = 150 mm. 2. Regule con la perilla de vaciado diferentes niveles de llenado en pasos de 10 mm y lea el valor de Δh, Figura 6.5, y en el multímetro el valor U A. Anote los valores en la Tabla 1. H mm U A Voltios Δh mm P med Pa P calc Pa 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 Tabla 1. Mediciones de presión en líquido. 3. Determine con el voltaje la presión medida usando la calibración de 1V = 200Pa: P med = U A x 200 (Pa/V)
7 4. Calcule luego la presión tomando la diferencia de altura Δh en la relación: P CALC = h g Anote los valores en la tabla y evalúe los resultados. 5. Apague la fuente y desconecte el circuito. PARTE III: MEDICIÓN DE LA PRESIÓN DE GASES. 1. En esta parte se utilizará el sistema de la Figura 2 y el módulo TG35 de electrónica Veneta. Alimente el circuito con +/-12VDC y también conecte la alimentación de potencia de 24 VDC 2. Examine el circuito acondicionador de señales del sensor de presión piezorresistivo. 3. Coloque la perilla del set point de presión a la mitad de la escala y conecte su salida (borne 2) con la entrada del amplificador de potencia de la válvula proporcional (borne 14) y la salida de la válvula proporcional a los conectores correspondientes en la unidad de procesamiento de presión TY 35/ EV Veneta 4. Conecte con un cable DIN la salida del transductor de presión de la unidad de procesamiento de presión TY 35/ EV Veneta a la entrada del acondicionador de señales de la tarjeta G35 (punto PPT). 5. Asegúrese de que la unidad de procesamiento de presión TY 35/ EV Veneta este apagada y la válvula de estrangulamiento abierta (ver Figura 6). Figura 6. 6. Encienda todas las fuentes de alimentación y luego la unidad de procesamiento de presión. 7. Cierre completamente la válvula de estrangulamiento (ver Figura 6), verá en el manómetro que la presión aumenta rápidamente, en cuanto llegue a 2.0 bar apague la unidad de procesamiento de presión TY 35/ EV. 8. Mida la tensión a la salida del sensor (entre los bornes 18 y 19) y a la salida del circuito acondicionador (borne 21 y tierra), anote los valores en la Tabla 2. 9. Para los siguientes valores de presión que pide la tabla, abra la válvula de estrangulamiento lentamente hasta que la presión baje al valor deseado, luego ciérrela y realice las mediciones del paso 8, hasta completar la tabla.
8 Instrumentación Industrial. Guía 5 P Bar 2.0 1.8 1.6 1.4 1.3 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.3 0.2 0.0 SALIDA SENSOR. Voltios SALIDA ACOND. Voltios Tabla 2. Medición de presión en gas. 10. Traslade dichos valores sobre una gráfica y trace la curva que más se aproxima a los puntos obtenidos; dicha curva constituye la denominada curva característica del transductoracondicionador. 11. Apague la fuente de alimentación y desconecte el equipo y déjelo ordenado. Análisis de Resultados 1. Analice los datos de las tablas 1 y 2, obtenga las gráficas usando regresión lineal y determine que tan bien se apegan los datos a la curva calculando la linealidad. 2. Compare los dos sensores (con todo y su acondicionador) y explique cuál tiene mejor linealidad 3. Qué puede decir acerca de las mediciones hechas, principalmente en los valores más bajos, y a qué se debe este efecto? 4. Cuál es la razón por la que el circuito de la parte III utiliza los cristales piezorresistivos en puente? Investigación Complementaria 1. Investigue cuál es el sensor usado para la medición de nivel de líquidos en la Tarjeta TY30A/EV de electrónica Veneta presente en el laboratorio de Instrumentación y control del taller de electrónica y sus principales características. Bibliografía Medición de Presión Llenado y Caudal. IMT 4. SO 5167-2Q LUCAS NÜLLE Tarjeta G35/EV: TRANSDUCTOR Y CONTROL DE PRESIÓN Texto teórico experimental código TG35 Electrónica Veneta & INEL SPA
9 Hoja de cotejo: 5 Guía 5: Medición de Presión Alumno: Maquina No: Docente: GL: Fecha: CONOCIMIENTO 25% APLICACIÓN DEL CONOCIMIENTO 70% ACTITUD 2.5% 2.5% TOTAL 100% EVALUACION % 1-4 5-7 8-10 Nota Conocimiento deficiente de los fundamentos teóricos No hace o no realiza - Análisis de los datos con la ayuda de gráficos - Comparación de los dos métodos de medición de presión Es un observador pasivo Es ordenado; pero no hace un uso adecuado de los recursos Conocimiento y explicación incompleta de los fundamentos teóricos Realización incompleta de: - Análisis de los datos con la ayuda de gráficos - Comparación de los dos métodos de medición de presión Participa ocasionalmente o lo hace constantemente pero sin coordinarse con su compañero Hace un uso adecuado de los recursos, respeta las pautas de seguridad, pero es desordenado. Conocimiento completo y explicación clara de los fundamentos teóricos Presenta análisis completos y correctos Participa propositiva e integralmente en toda la práctica Hace un manejo responsable y adecuado de los recursos conforme a pautas de seguridad e higiene.