Principios de medida presión

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

James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
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

 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).
p = F / A
p = 1 lb. ÷ 1in2
p = 1 lb./1in2
p = 1 psi
Fuerza = 1 lb.
1 in 1 in
Área = 1 in x 1 in = 1 in2

 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).
p = F / A
p = 1 N ÷ 1 m2
p = 1 N/m2
p = 1 Pascal (Pa)
Fuerza = 1 N
1 m 1 m
Área = 1 m x 1 m= 1 m2

퐴 = π푟2
퐴 = 휋 0.5 푖푛 2
퐴 = 3.14 0.25 푖푛2
퐴 = .785 푖푛2
 Si el área es circular:
p = F / A
p = 1 lb. / 0.79 in2
p = 1.27 psi
Fuerza = 1 lb.
1 in.
Área = .π.789r25 in in.2.2
A =.79 in2

• La Ley de Pascal describe esta relación como:
Fuerza = Presión x Área
F = p x A
• De esta expresión, se desprende además:
Presión = Fuerza ÷ Área
p = F ÷ A
• Y:
Área = Fuerza ÷ Presión
A = F ÷ p

LEY DE PASCAL
FUERZA
AREA PRESION

Presión “Gauge” vs. Presión Absoluta
Presión Sobre Atmosférica
Presión Bajo Atmosférica
Presión Barométrica
Presión Absoluta (psia)
Presión “Gauge” (psig)
Presión Atmosférica
Presión Cero Absoluto (Vacío)
Presión “Gauge” ( - in Hg)
Presión Absoluta (psia)
 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

Niveles de Presión Atmosférica
0 psig (14.7 psia)
-0.052 psig (14. 65 psia)
8.8 psig (23.5psia)
-5.2 psig (9.5 psia)
-0.52 psig (14. 18 psia)
20 ft. de Profundidad
Nivel del Mar
100 ft. De Altitud
1,000 ft. de Altitud
10,000 ft. de Altitud

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

Conversión de Unidades de Presión
PSI KPa in. H2O mm H2O in. Hg mm Hg Bar m Bar Kg/cm2 gm/cm2
PSI 1 6.8948 27.7620 705.150 2.0360 51.7149 0.0689 68.9470 0.0703 70.3070
KPa 0.1450 1 4.0266 102.274 0.2953 7.5006 0.0100 10.0000 0.0102 10.197
in. H2O 0.0361 0.2483 1 25.4210 0.0734 1.8650 0.0025 2.4864 0.0025 2.5355
mm H2O 0.0014 0.0098 0.0394 1 0.0028 0.0734 0.0001 0.0979 0.00001 0.0982
in. Hg 0.4912 3.3867 13.6195 345.936 1 25.4000 0.0339 33.8639 0.0345 34.532
mm Hg 0.0193 0.1331 0.5362 13.6195 0.0394 1 0.0013 1.3332 0.0014 1.3595
Bar 14.5040 100.00 402.180 10215.0 29.5300 750.060 1 1000 1.0197 1019.72
m Bar 0.0145 0.1000 0.4022 10.2150 0.0295 0.7501 0.001 1 0.0010 1.0197
Kg/cm2 14.2233 97.9047 394.408 10018.0 28.9590 735.559 0.9000 980.700 1 1000
gm/cm2 0.0142 0.0979 0.3944 10.0180 0.0290 0.7356 0.0009 0.9807 0.001 1

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
p = F ÷ A
p = 23 lb / 6 in.2
p = 3.83 lb/in2
p = 3.83 psi
23 libras
3 in.

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. 퐴 = π푟2
A = 12.56 in2
p = F / A
p = 56 lb / 12.56 in.2
p = 4.46 psi
56
Libras
퐴 = 휋 2 푖푛 2
퐴 = 3.14 4 푖푛2

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?
퐴 = π푟2
퐴 = 휋 72 푖푛 2
퐴 = 3.14 5184 푖푛2
A = 16,286 in2
A = 16277.76 in2
100 psi 12 Ft.
F = p x A
F = 100 psi x 16277.76 in2
F = 1,627,776 lbs.

Ejemplo 4: ¿Qué diámetro tiene un pistón que levanta un auto de 2,000 lbs.
con 500 psi de presión hidráulica?
A = π 푟2
푟2 = 퐴
π
푟2 = 4 푖푛2
3.14
푟2 = 1.27 푖푛2
r = 1.27 푖푛2
r = 1.13 푖푛2
A = F ÷ p
A = 2,000 lbs ÷ 500 psi
A = 4 in2
? in.
500 psi
2,000 lbs.
4 in2
dia. = 2.26 in.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Pressure Gauge Data Sheet (WIKA)

Pressure Gauge Data Sheet (Ashcroft)

Pressure Gauge Data Sheet (3-D)

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

 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

 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

 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. (휌) y área en circular mils (in).
 Si el largo aumenta, también la resistencia.
 Si el área aumenta, la resistencia baja.

 Strain Gage:
Conductor (Cobre)
휌 = 0.0001325 Ω ∙ in.
L
A
 Ejemplo 1:
¿Cual es la resitencia de un conductor de cobre tamaño AWG
12 y de una pulgada de largo?
푅 = 휌
퐿
퐴
푅 = .0001325 훺 · 푖푛
1 푖푛
0.00653 푐푚푖푙
푅 = .0203 훺

 Strain Gage:
Conductor (Cobre)
휌= 0.0001325 Ω ∙ in.
L
A
 Si aplicamos una presión sobre el conductor, de tal manera que
aumente su largo a 1.05 in., entonces habremos aumentado su
resistencia.
푅 = 휌
퐿
퐴
푅 = .0001325 훺 · 푖푛
1.05 푖푛
0.00653 푐푚푖푙
푅 = .0213 훺

 Strain Gage:
Conductor (Cobre)
휌=0.0000661416 Ω ∙ in.
L
A
 Si removemos presión sobre el conductor, de tal manera que
disminuya su largo a .95 in., entonces habremos cambiado su
resistencia.
푅 = 휌
퐿
퐴
푅 = .0001325 훺 · 푖푛
.95 푖푛
0.00653 푐푚푖푙
푅 = .0193 훺

Conjunto de conductores
 Strain Gage:
 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.
}Terminales

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

 Strain Gage:
 Como recordamos de los divisores de voltaje, si
RSG aumenta, también VSG.

↑
↑
 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”.

 Strain Gage:
 Al analizar este circuito,
nos damos cuenta de la
aplicación en detalle.
 Son dos divisores de
voltaje utilizado en
instrumentación,
llamado “Wheatsone
Bridge”.
R1 R3
 Este circuito responde a la equación:
VG
R4
RSG
VS

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

 Strain Gage:
VS
 Esto nos da el doble del efecto al tener una resistencia
aumentando y el otro reduciendo su resistencia.
R#3
R#4
VG

 Strain Gage:
VS
R#3
R#4
VG
 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.

 Strain Gage:
VS
 Una disminución en presión provoca que R2 aumente y que R1
disminuya su resistencia.
R#3
R#4
VG

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

Presión
Placas del Capacitor Sustrato
 Capacitancia:
Diafragma de Medición
 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

 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
Onda Onda Atenuada
Rectificador
Señal Rectificada

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

 Transmisor de Presión:

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

Manómetros de Presión:

 Fluke 725 y Módulo de Presión:

 Bombas Manuales de Generación de Presión:

¿Preguntas, dudas, comentarios?
http://instrumentacionhuertas.wordpress.com

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