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- 1. Tema 3: Medición de Presión Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Mecánica Instrumentación Aguilera, Andrés; Hornero, José; Parada, Rolando; Rujano Jhonalbert Integrantes:
- 2. INTRODUCCIÓN 2 La presión se define como fuerza dividida por el área sobre la cuál se aplica. De esta manera, la presión (P) producida por una fuerza (F) distribuida sobre un área (A) se define como: 𝑷 = 𝑭 𝑨 Procesos Industriales Aplicaciones Medición de presión Calidad del producto Seguridad Medición de nivel Medición de flujo
- 3. REFERENCIAS DE PRESIÓN 3 Presión Referencia o Patrón Presión absoluta Presión Manométrica Presión de vacío Presión diferencial Presión atmosférica
- 4. REFERENCIAS DE PRESIÓN 4 Presión absoluta Es la presión referida al vacío absoluto, o también se puede definir como la suma de la presión manométrica y la presión atmosférica
- 5. REFERENCIAS DE PRESIÓN 5 Está referida con respecto a la presión atmosférica. Representa la diferencia positiva entre la posición medida y la presión atmosférica existente. Presión Manométrica
- 6. REFERENCIAS DE PRESIÓN 6 Es la presión medida por debajo de la presión atmosférica. Presión de vacío
- 7. REFERENCIAS DE PRESIÓN 7 Es la diferencia en magnitud entre el valor de una presión y el valor de otra tomada como referencia. Presión diferencial
- 8. REFERENCIAS DE PRESIÓN 8 Presión atmosférica Es la presión ejercida por el peso de la atmósfera sobre la tierra. Presión Barométrica Es la medida de la Presión atmosférica la cual varía levemente con las condiciones climáticas .
- 9. UNIDADES DE MEDICIÓN 9 Sistema Internacional de Unidades F= N A= 𝒎𝟐 𝑷𝒂 = 𝑵/𝒎𝟐 Pascal
- 10. PRESIÓN EN FLUIDOS 10 En un líquido la presión será igual a la altura de la columna de líquido (h) por el peso específico del líquido (𝛾): Fluidos estáticos 𝑃 = 𝛾ℎ
- 11. PRESIÓN EN FLUIDOS 11 Fluidos en movimiento Presión estática Presión dinámica Presión de estancamiento Es la presión ejercida por el fluido en todas sus direcciones. Es la presión que se produce por el efecto de la velocidad del fluido. Es la presión resultante de la presión estática más la presión dinámica.
- 12. MEDICIÓN DE PRESIÓN 12 1. SENSORES MECÁNICOS a) Columnas de líquido Es el más simple, directo y exacto de todos los métodos utilizados en la medición de presión. Principio: Vasos Comunicantes Líquido utilizado Agua, compuestos orgánicos, mercurio
- 13. MEDICIÓN DE PRESIÓN 13 Manómetro de tubo en U Líquido de mayor densidad que el fluido a medir. No miscibles. Se utiliza para medir presión diferencial. La diferencia de altura (h) del líquido en las dos ramas es proporcional a la diferencia de presiones. Gases Líquidos (Peso despreciable) (Peso no despreciable) 𝑃1 − 𝑃2 = 𝛾𝑚ℎ 𝑃1 − 𝑃2 = (𝛾𝑚−𝛾𝑙)ℎ
- 14. MEDICIÓN DE PRESIÓN 14 Manómetro de pozo y vaso alargado Una de las columnas del tubo en U se reemplaza por un depósito de gran diámetro. La presión diferencial se indica en el tubo de menor área. Gases (Peso despreciable) 𝑃1 − 𝑃2 = (𝛾𝑚−𝛾𝑙)(1 + 𝐷2 2 𝐷1 2)z Vaso alargado 𝑃1 − 𝑃2 = 𝛾𝑚(1 + 𝐷2 2 𝐷1 2)z Pozo 𝑨𝟏 ≫ 𝑨𝟐 𝑃1 − 𝑃2 = (𝛾𝑚−𝛾𝑙)𝑍 𝑃1 − 𝑃2 = 𝛾𝑚𝑍
- 15. MEDICIÓN DE PRESIÓN 15 Manómetro de pozo y vaso inclinado Variación del manómetro de pozo, donde el vaso se inclina para aumentar la precisión 𝑃1 − 𝑃2 = (𝛾𝑚−𝛾𝑙)(𝑍 + 𝑌) 𝑌 = 𝐷2 2 𝐷1 2 X 𝑍 = 𝑋 sin ∝ 𝑃1 − 𝑃2 = (𝛾𝑚−𝛾𝑙)(sin ∝ + 𝐷2 2 𝐷1 2)𝑋 0 <∝< 90 En ciertos casos despreciar el peso del fluido del proceso y/o el desplazamiento del líquido manométrico en el pozo.
- 16. MEDICIÓN DE PRESIÓN 16 Manómetro de anillo de balanceo Utiliza el efecto del cambio del nivel del fluido por efecto de la presión junto con un balance de fuerzas ejercidas por el peso del líquido y un contrapeso. 𝛾ℎ𝐴𝑟 = 𝑊𝑑 sin 𝜃 peso del líquido = peso del contrapeso 𝑃1 − 𝑃2 = 𝛾𝑚ℎ 𝑃1 − 𝑃2 = 𝑊𝑑 𝐴𝑟 sin 𝜃
- 17. MEDICIÓN DE PRESIÓN 17 Manómetro anillo de campana invertida Se coloca una campana invertida dentro de un recipiente que contiene un líquido sellante. La mayor presión se aplica sobre el interior de la campana, la menor presión se aplica sobre el interior del recipiente. 𝑃1 − 𝑃2 = 𝑘𝑥 𝐴 𝑃1 − 𝑃2 = 𝑊𝑑 𝐴𝐿 sin 𝜃
- 18. MEDICIÓN DE PRESIÓN 18 Líquidos manométricos Presiones bajas Presiones altas Presiones medias (0 a 7KPa≈1psi) Aceites, glicerina. (hasta 17KPa≈2.5psi) Agua. (hasta 70KPa≈10psi) Mercurio. Líquidos selladores
- 19. MEDICIÓN DE PRESIÓN 19 2.SENSORES ELÁSTICOS a) Tubos de Bourdon La deflexión que sufren es proporcional a la presión aplicada. Principio Un tubo enrollado, encerrado por un extremo tiende a enderezarse cuando por el otro extremo se le aplica un líquido o gas a presión. C Espiral Helicoidal Rango • Manómetro desde 0 a 35 KPa hasta 0 a 70000KPa • Vacuómetro de -100 a 0 KPa
- 20. MEDICIÓN DE PRESIÓN 20 a) Tubos de Bourdon Materiales Aleaciones endurecidas por deformación Aleaciones endurecidas por precipitación Aleaciones con tratamiento térmico 1 2 3 • Bajas • Medias • Medias • Altas • Altas presiones Diseño ∆𝛼 = 𝐾 𝛼𝑃 𝐸 𝑅 𝑡 𝑥 𝐴 𝐵 𝑦 𝐴 𝑡 𝑧
- 21. • Manómetro desde 0 a 1.2 KPa hasta 0 a 5500KPa • Vacuómetro de -1.2 a 0 Kpa hasta -100 a 0 KPa MEDICIÓN DE PRESIÓN 21 b) Diafragmas Disco flexible con corrugaciones concéntricas, acoplado a una caja a la que se le introduce la presión a medir, midiendo la diferencia de presiones entre sus dos caras. La deflexión en el centro del disco es proporcional a la presión aplicada. Rangos
- 22. MEDICIÓN DE PRESIÓN 22 b) Diafragmas Materiales Metálicos No Metálicos • Latón • Bronce fosforoso • Cobre Berilio • Acero inoxidable • Monel • Neopreno • Teflón • Polietileno • Cuero Presiones menores Diseño 𝑑 = 𝐾𝑁(𝑃 − 𝑃0)𝐷𝑎 4 𝑡−1.5
- 23. MEDICIÓN DE PRESIÓN 23 SENSORES ELÁSTICOS c) Fuelles Un Tubo flexible con un extremo empotrado conectado a la presión a medir y otro extremo cerrado y libre. Trabaja como un resorte helicoidal. Fuelle Fuelle con resorte Rangos • Manómetro desde 0 a 0.5 KPa hasta 0 a 7000KPa • Vacuómetro de -0.5 a 0 Kpa hasta -100 a 0 KPa Materiales Metálicos No Metálicos
- 24. MEDICIÓN DE PRESIÓN 24 c) Fuelles Diseño Fuelle sin resorte Fuelle con resorte 𝑃 = 𝐾𝑓 𝐴𝑒 𝑥 𝐾𝑓 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑢𝑒𝑙𝑙𝑒 𝐴𝑒 = 𝜋 4 𝐷𝑒 2 𝑃 = 𝐾𝑓 + 𝐾𝑟 𝐴𝑒 𝑥
- 25. MEDICIÓN DE PRESIÓN 25 3.TRASDUCTORES ELÉCTRICOS a) Transductor resistivo Función Transformar el desplazamiento producido por un sensor de presión en una señal eléctrica que se pueda leer. Principio Un cambio en la presión produce un cambio en la resistencia del elemento sensor. Constituidos: Varía la resistencia Elemento elástico Potenciómetro 𝑒0 = 𝑅1 𝑅1 + 𝑅2 𝑒𝑖
- 26. MEDICIÓN DE PRESIÓN 26 3.TRASDUCTORES ELÉCTRICOS a) Transductor resistivo Desventajas Ventajas -Salida alta -Económico -Construcción simple -Uso de corriente continua o alterna -No es necesario amplificar o acoplar impedancias -Requieren gran tamaño -Alta fricción mecánica -Vida limitada -Sensible a mediciones y choques -Buena respuesta a la frecuencia -Altos niveles de ruido al desgastarse -Baja sensibilidad
- 27. MEDICIÓN DE PRESIÓN 27 b) Transductor extensométrico Utiliza un extensómetro o galga extensométrica para transformar la deformación que se produce sobre un diafragma en una señal eléctrica. Extensómetro Diseñado: medir deformaciones compuestos Alambre fino Sección transversal cambio Resistencia eléctrica Proporcional
- 28. MEDICIÓN DE PRESIÓN b) Transductor extensométrico Galgas cementadas Galgas no cementadas Extensómetro Adhiere Hoja base cerámica papel plástico medir Deformación cambio de presión Diafragma Extensómetro No se adhiere toda Superficie Extremos descansan Armazón fija medir Alejamiento paredes caras de un diafragma móvil 28
- 29. MEDICIÓN DE PRESIÓN b) Transductor extensométrico Galgas de silicio difundido Material semiconductor conformada monocristal de silicio Boro formar Resistencias Puentes de Wheatstone La tensión de salida será proporcional a la tensión de entrada y el valor de las resistencias. 𝑽𝒐𝒖𝒕 = 𝑽𝒊𝒏 𝑹𝟑 𝑹𝟑 + 𝑹𝒈 − 𝑹𝟐 𝑹𝟏 + 𝑹𝟐 difunde Valor de la resistencia de la galga extensométrica Presión a la cual está sometido el instrumento. 29
- 30. MEDICIÓN DE PRESIÓN b) Transductor extensométrico Ventajas Desventajas -Buena exactitud (0,1%) -No sensibles a golpes y vibraciones. -Rango de hasta 1400MPa. -Miden presiones estáticas y dinámicas. -Usan corriente continua o alterna. -Excelente estabilidad. -Buena repetibilidad. -Efecto de temperatura despreciable si se compensa. -Señal de salida débil, por lo que se debe acondicionar empleando accesorios como puentes. -Requieren fuente de alimentación. -Limitaciones para medir procesos con altas temperaturas. 30
- 31. MEDICIÓN DE PRESIÓN c) Transductor Magnético Utilizan bobinas con núcleo magnético móvil conectado a un sensor de presión. Al producirse el movimiento del núcleo magnético cambian las características magnéticas del circuito eléctrico. Inductancia variable Transformador diferencial 31
- 32. MEDICIÓN DE PRESIÓN c) Transductor Magnético Inductancia variable Utilizan una bobina con un núcleo magnético móvil. La inductancia varia proporcionalmente según la posición que ocupe el núcleo dentro de la bobina. Se utiliza para detectar pequeños desplazamientos de cápsulas de diafragmas y otros sensores. 32
- 33. MEDICIÓN DE PRESIÓN c) Transductor Magnético Transformador diferencial El núcleo móvil está conectado a un sensor de presión que se desplaza dentro de un transformador diferencial Voltaje de salida: 𝑽𝟏 = 𝑵𝟏 𝒅∅ 𝒅𝒕 ; 𝑽𝟐 = 𝑵𝟐 𝒅∅ 𝒅𝒕 Precisión: 0,5% Aplicaciones Instrumentos medición de presión: absoluta, manométrica y diferencial Aplicaciones medición de flujo y nivel. 33
- 34. MEDICIÓN DE PRESIÓN c) Transductor Magnético Ventajas Desventajas -Salida alta. -Respuesta lineal. -No precisan ajuste críticos en el montaje. -Baja histéresis por no haber roce. -Construcción robusta -Funcionan solo con corriente alterna por lo que el receptor debe funcionar con la misma corriente. -Requiere un gran desplazamiento del núcleo magnético. -Sensible a choques y vibraciones. 34
- 35. MEDICIÓN DE PRESIÓN 35 d) Transductor Capacitivo Variación de la capacidad de un condensador al desplazarse una de sus placas por la aplicación de la presión. Principio 𝑪 = 𝟎, 𝟎𝟓𝟓𝟖𝑲 𝑵 − 𝟏 𝒕 𝑨 Ventajas Desventajas -Excelente respuesta a la frecuencia -Construcción sencilla. -Mide presiones estáticas y dinámicas. -Costo relativamente bajo… -El movimiento de grandes cables origina distorsión y error. -Alta impedancia de salida. -Sensibles a variaciones de temperatura…
- 36. MEDICIÓN DE PRESIÓN 36 e) Transductor Piezoeléctrico Cuando ciertos cristales se deforman elásticamente a lo largo de planos específicos de esfuerzos se produce un potencial eléctrico en el cristal. Principio Al producirse la deformación se producirá una corriente eléctrica que será proporcional a la deformación del cristal. -Tamaño pequeño, compacto y ligero -Muy lineales. -No requieren frecuente calibración… Desventajas -Sensibles a cambios de temperatura -No miden presiones estáticas -Alta impedancia de salida -Cables largos originan ruido… Ventajas
- 37. MÉTODOS DE PROTECCIÓN CONTRA LOS EFECTOS DESTRUCTIVOS DEL FLUIDO 37 Procesos mide presión fluido del proceso interior del sensor altas temperaturas corrosivo sucio materiales suspensión aislar instrumento métodos recubrimientos Níquel, Bromo o Cadmio Sifón de espira simple Líquido sellador Sello volumétrico Sistema de purga o burbujeo
- 38. MÉTODOS DE PROTECCIÓN CONTRA LOS EFECTOS DESTRUCTIVOS DEL FLUIDO 38 Sifón de espira simple Consiste en hacer una espira con el tubo de conexión del manómetro al proceso. Efectivo para medir presiones de vapor a alta temperatura, el vapor se condensa en el tubo y forma un sello de agua entre la tubería y el instrumento. Espira líquido mayor densidad aislar manómetro proceso coloca
- 39. MÉTODOS DE PROTECCIÓN CONTRA LOS EFECTOS DESTRUCTIVOS DEL FLUIDO 39 Se usa una cámara cerrada en la cual se coloca un líquido que produce un sello hidráulico entre el instrumento y el proceso. Líquido sellador El sellador debe tener una densidad menor a la del fluido del proceso o se deben colocar tubos que sobresalgan del fluido para que solo el líquido sellador pueda estar en contacto con el instrumento. Instrumento por debajo del proceso El líquido debe tener una densidad mayor a la del fluido del proceso Instrumento por encima del proceso
- 40. MÉTODOS DE PROTECCIÓN CONTRA LOS EFECTOS DESTRUCTIVOS DEL FLUIDO 40 Sistema de purga o burbujeo Consiste en introducir un tubo dentro del proceso con aire a una presión levemente superior a la de este de manera que exista siempre una salida de aire (burbujeo) por la punta del tubo. Presión medida instrumento levemente superior proceso error en la medición No se produce error por diferencia de altura
- 41. MÉTODOS DE PROTECCIÓN CONTRA LOS EFECTOS DESTRUCTIVOS DEL FLUIDO 41 El medidor de presión se aísla totalmente del proceso mediante un diafragma flexible, se rellena el espacio comprendido entre el sello y el instrumento mediante un líquido tal como glicerina o aceite. Sello volumétrico Permite total aislamiento sensor proceso Soluciona problema corrosión temperatura
- 42. MEDICIÓN DE PRESIÓN ABSOLUTA 42 Método indirecto Método directo Consiste en medir la presión manométrica y añadirle el valor de la presión atmosférica. 𝑷𝒂𝒃𝒔 = 𝑷𝒎𝒂𝒏 + 𝑷𝒂𝒕𝒎 Se debe conocer con exactitud la presión atmosférica que varía de un lugar a otro. Si no se conoce la presión atmosférica exacta se pueden entonces cometer errores de hasta 15 KPa (2 Psi). Se miden presiones de vacío, por debajo de 1 mm de columna de mercurio con una precisión muy grande. Medidor de McLeod Medidores térmicos eléctricos: Medidor de termopar Medidor de Pirani Medidores de Ionización: Medidor de filamento caliente Medidor de cátodo frío Radiación
- 43. MEDICIÓN DE PRESIÓN ABSOLUTA 43 Medidor de McLeod Permite medir valores de presión absoluta mediante nivel de líquidos. No es un instrumento de uso industrial, pero se usa para la calibración de otros instrumentos. Consta de: Un tubo capilar (A) cerrado y calibrado el cual posee en su parte inferior una reserva para acoger un volumen de líquido. Un tubo doble conectado a la presión a medir: tubo capilar (B) y (C)de mayores dimensiones, para disminuir el error que se produce por capilaridad. Una reserva (R) de mercurio (u otro líquido pesado) conectada a la presión a medir y a los tubos.
- 44. MEDICIÓN DE PRESIÓN ABSOLUTA 44 Medidor de termopar Se usan filamentos que se calientan por el efecto del paso de una corriente. La temperatura será proporcional a la presión a la cual están sometidos. Uno estará en una cámara de referencia en alto vacío y otro estará expuesto a la presión a medir. Para medir la temperatura de los filamentos se utiliza un arreglo de termopares. Sensible a la composición del gas y presenta riesgos de combustión si se expone a la atmósfera. Ventajas: Desventajas: Bajo costo, larga duración y Confiabilidad
- 45. MEDICIÓN DE PRESIÓN ABSOLUTA 45 Medidor de Pirani Utiliza el mismo principio de variación de la temperatura de un filamento según la presión a la cual está sometido. Pero en este caso mide la resistencia de los filamentos y no la temperatura. Utiliza un circuito de puente de Wheatstone que compara las resistencias de dos filamentos de tungsteno. La resistencia del filamento será proporcional a la presión a la que se encuentra el proceso 1 μHg hasta 2000 μHg Rango:
- 46. MEDICIÓN DE PRESIÓN ABSOLUTA 46 Consiste en un tubo electrónico con filamento de tungsteno, rodeado por una rejilla en forma de bobina, la cual a su vez está envuelta por una placa colectora. Medidor de filamento caliente El filamento emite electrones los cuales pasan a través de la rejilla y en su camino hacia la placa colectora chocan con las moléculas del gas. La corriente positiva que se forma es función del número de iones, y por lo tanto constituye la medida de la presión del gas. . Rango: 10−𝟖 μHg a 1 μHg
- 47. MEDICIÓN DE PRESIÓN ABSOLUTA 47 Medidor de cátodo frío Se basa en la medida de una corriente iónica producida por una descarga de alta tensión. Es más robusto y no presenta el problema de combustión del filamento. Pero tiene el defecto de no poder ser vaciado del gas rápidamente y es susceptible a contaminación por mercurio. Además posee una escala logarítmica. Rango: 10−𝟐 a 10−𝟕 mmHg
- 48. MEDICIÓN DE PRESIÓN ABSOLUTA 48 Utiliza una fuente de radio sellada la cual produce partículas α que ionizan las moléculas de gas, los iones resultantes se recogen en un electrodo, y producen una corriente que es proporcional al número de moléculas en la cámara, por lo tanto a la presión del gas. Rango: 760 a 10−𝟒 mmHg Radiación