Medición de Presión PDF

Medición de Presión C16 - Sensores, Transductores y Actuadores 2024-1 OBJETIVOS - Explicar las unidades de presión - Explicar los tipos de presión - Explicar los diferentes instrumentos de medición 2  ¿Qué es la Presión? La presión se def...

Medición de Presión C16 - Sensores, Transductores y Actuadores 2024-1 OBJETIVOS - Explicar las unidades de presión - Explicar los tipos de presión - Explicar los diferentes instrumentos de medición 2  ¿Qué es la Presión? La presión se define como fuerza ejercida sobre una superficie por unidad de área. En Ingeniería, el término presión se restringe generalmente a la fuerza ejercida por un fluido por unidad de área de la superficie que lo encierra. De esta manera, la presión (P) de una fuerza (F) distribuida sobre un área (A), se define como: F P= A 3  UNIDADES F : Fuerza (N) A: área (m2) P: presión (Pa=N/m2) Además: 1psi=1libra/pulg2 Considerando que 1 libra = 0,4536Kg y 1 pulg = 2,54 cm Entonces: 1Kg / cm2 = 14,223 psi 4  UNIDADES Sistema de Fuerza Masa Aceleración unidades MKS N kg m/s2 CGS dina g cm/s2 INGENIERIA libra slug pie/s2 Aceleración de la gravedad = 9,8066 m/s2 = 32.1740 pie/s2 1 libra masa = 0.45359237 kg 1 kg = 2.21 libra masa 1 libra fuerza = 1 libra = (1 libra masa)(gravedad) =4,45 N 1N = 100000 dinas 1slug = 14.56 kg. 5 ¿cuáles son las unidades más usadas? ▪bar ▪psi (libra por pulgada cuadrada) ▪atmósfera (atm) ▪pulgadas de mercurio (“Hg) ▪pulgadas de agua (“H2O) ▪kilo pascal (KPa) ▪milímetro de mercurio (mmHg) 6 FACTORES DE CONVERSIÓN PARA UNIDADES DE PRESIÓN Kg/cm2 psi Atm. bar “Hg “H2O KPa Kg/cm2 1,0000 14,2230 0,9678 0,98067 28,9600 394,06 98,0670 psi 0,0703 1,0000 0,06804 0,06895 2,0360 27,705 6,8450 Atm. 1,0332 14,6960 1,0000 1,01325 29,9200 407,2 101,3250 bar 1,0197 14,5030 0,98692 1,0000 29,5300 401,606 100,0000 “Hg 0,0345 0,4912 0,03342 0,03386 1,0000 13,620 3,3864 “H2O 0,00254 0,03609 0,002457 0,00249 0,07307 1,000 0,24886 KPa 0,0101 0,1450 0,00986 0,0100 0,2953 4,01832 1,0000 7 Comparación de unidades de presión 1atm = 760 mmHg 1atm = 29,92”Hg. 1atm = 14,696psi 1atm = 1,01325bar 1atm = 406,784”H2O 1atm = 101,325KPa 1atm = 1,03322Kg / cm2 8 ¿Porqué se mide la presión? Para dar condiciones de seguridad las presiones excesivas pueden provocar la destrucción de un equipo Para garantizar la ejecución de un proceso los procesos de fabricación se ejecutan exitosamente bajo ciertas condiciones de presión. 9 ¿Porqué se mide la presión? Para dar condiciones de seguridad las presiones excesivas pueden provocar la destrucción de un equipo Para garantizar la ejecución de un proceso los procesos de fabricación se ejecutan exitosamente bajo ciertas condiciones de presión. 10  ¿Porqué se mide la presión? 1.- Control de Proceso: La presión es un parámetro importante que puede afectar directamente la calidad y el rendimiento de un proceso industrial. Al medir la presión, los sistemas de automatización pueden ajustar y controlar variables como el flujo de líquidos o gases para mantener condiciones óptimas de operación. 2.- Seguridad: En muchos procesos industriales, mantener la presión dentro de ciertos rangos es crucial para la seguridad de los equipos y los operadores. La medición continua de la presión permite detectar y prevenir situaciones peligrosas como sobrepresiones que podrían resultar en daños materiales o incluso riesgos para la seguridad humana. 11 ¿Porqué se mide la presión? 3.-Eficiencia Energética: Mantener la presión adecuada puede contribuir significativamente a la eficiencia energética de un proceso. Por ejemplo, en sistemas de vapor o aire comprimido, ajustar la presión según las necesidades específicas puede reducir el consumo de energía y los costos operativos. 4.- Calidad del Producto: En ciertos procesos industriales, la presión es crítica para garantizar la calidad del producto final. Por ejemplo, en la fabricación de productos alimenticios o farmacéuticos, la presión puede influir en la textura, la esterilización o la integridad del producto. 5.- Monitoreo y Diagnóstico: La medición continua de la presión permite monitorear el estado de los equipos y detectar posibles fallos o problemas antes de que se conviertan en fallas costosas. Los sistemas de automatización pueden utilizar esta información para realizar diagnósticos preventivos y mantener la disponibilidad operativa. 12  TIPOS DE PRESIÓN Presión absoluta: Presión que se mide a partir de la presión cero de un vacío absoluto. Presión atmosférica: Presión que ejerce la atmósfera que rodea la tierra (barométrica) sobre todos los objetos que se hallan en contacto con ella. Presión relativa o manométrica: Presión mayor a la presión atmosférica, es la presión medida con referencia a la presión atmosférica, conocida también como presión relativa o presión positiva. Presión diferencial: Es la diferencia entre dos presiones. Para presiones por debajo de la Patm es: Pvacio = Patm - Pabs Presión absoluta = Presión atmosférica + Presión Manométrica 13 Tipos de presión 14  Presión vacío La presión de vacío se refiere a la medida de la presión por debajo de la presión atmosférica normal, es decir cuando la presión es menor que la presión atmosférica al nivel del mar, que es aproximadamente 101325 pascales (Pa) o 1 atmósfera (atm). Las presiones absoluta, manométrica y de vacío son todas positivas y se relacionan mediante la siguiente formulas : Para presiones (Pabs) por arriba de la Patm Pmanometrica =Pabs – Patm Para presiones (Pabs) por debajo de la Patm Pvacio = Patm - Pabs 16  Instrumentos para medir la presión a) Instrumentos mecánicos Instrumentos Elásticos: - Tubos Bourdon. - Fuelles. - Diafragmas. b. Instrumentos electromecánicos y electrónicos - Medidores de Esfuerzo (Strain Gages) - Transductores de Presión Resistivos - Transductores de Presión Capacitivos - Transductores de Presión Magnéticos - Transductores de Presión Piezoeléctricos 17  Instrumentos mecánicos 1.- Instrumentos Elásticos Manómetros de tubo de Bourdon Los manómetros de tubo de Bourdon son instrumentos utilizados para medir la presión en aplicaciones industriales y de laboratorio. Su principio de funcionamiento se basa en el tubo de Bourdon, que es un tubo metálico curvado en forma de C, el cual tiende a enderezarse cuando se le aplica presión interna. 18  Instrumentos mecánicos 1.- Instrumentos Elásticos Tubo de Bourdon Tipo C Tubo de sección elíptica que forma un anillo casi completo cerrado por un extremo y conectado a la fuente de presión por el otro. Al aumentar la presión en el interior del tubo este se endereza provocando un movimiento que es captado por una aguja indicadora o un transmisor, colocados en el extremo cerrado del tubo. Se utilizan principalmente para indicación local en medidores de presión, que están conectados directamente sobre recipientes de proceso y tuberías 19  a.- Instrumentos mecánicos Instrumentos Elásticos Manómetros de tubo de Bourdon tipo C Materiales de construcción - Acero inoxidable 316 y 403 - Cobre - Berilio - Bronce Fosforado. El material seleccionado determina tanto el rango como la resistencia del tubo a la corrosión. Ejemplo: - Un tubo espiral de bronce es adecuado para presiones hasta 300 psig - Un tubo espiral de acero, puede manejar presiones de hasta 4000 psig. 20 Tubo de Bourdon Tipo C (1) Tubo de Bourdon (2) Soporte fijo del tubo (3) Extremo móvil del tubo (4) Corredera (5) Biela (6) Engranaje (7) Aguja indicadora 21 (8) Escala calibrada Manómetros de tubo de Bourdon 22  Tipos de Tubo de Bourdon Manómetro tubo de Bourdon Tipo Espiral Se construyen enrollando el tubo, de sección transversal plana, en una espiral de varias vueltas en vez de formar un arco de 270° como en el tipo “C”. Este arreglo da al espiral un mayor grado de movimiento por unidad de cambio en la presión si se compara con el tubo Bourdon tipo "C". Funcionamiento: Cuando se aplica presión al fluido dentro del manómetro, la espiral tiende a desenrollarse o a enderezarse ligeramente. Este movimiento se transmite a través de un mecanismo de palanca o engranaje hacia una aguja indicadora en la esfera del manómetro, proporcionando una lectura de la presión aplicada. Material: Al igual que otros tubos de Bourdon, el tubo espiral se fabrica típicamente en metales como acero inoxidable, latón o aleaciones especiales que tienen buena resistencia a la deformación bajo presión y a la corrosión. 24  Tipos de Tubo de Bourdon Manómetro tubo de Bourdon tipo Helicoidal Se construye de forma similar al tubo en espiral, pero enrollando el tubo en forma helicoidal Diseño Helicoidal: El tubo de Bourdon helicoidal se fabrica en forma de hélice o espiral, con vueltas que se desarrollan de manera helicoidal alrededor de un eje central. Esta disposición le da al tubo una mayor capacidad para expandirse o contraerse según la presión del fluido al que está expuesto. Aplicaciones Sistemas hidráulicos; compresores; construcción de máquinas, centrales de energía, industrias del acero y hierro, plantas de tratamientos de aguas residuales, bombas 25 Manómetros de tubo de Bourdon 26 Manómetros de tubo de Bourdon VIDEO 27  Instrumentos mecánicos 1.- Instrumentos Elásticos Manómetros de fuelle Es un tubo flexible, el cual cambia su longitud de acuerdo a la presión aplicada. Este cambio de longitud es mucho mayor que el que se obtendría si se utilizara un tubo Bourdon de las mismas características. Se aplican en medición de presión absoluta y medición de presión diferencial. 28  Instrumentos mecánicos 1.- Instrumentos Elásticos Manómetros de fuelle Un manómetro de fuelle consiste en un fuelle metálico flexible que se expande o contrae en respuesta a los cambios de presión. La dilatación y la contracción se convierten en una medida legible mediante una pantalla mecánica o digital conectada. Es capaz de medir la presión manométrica o vacio. 29  Instrumentos mecánicos 1.- Instrumentos Elásticos Manómetros de fuelles Los manómetros de fuelle tienen un elemento elástico en forma de fuelle (como el acordeón) al que se le aplica la presión a medir, esta presión estira el fuelle y el movimiento de su extremo libre se transforma en el movimiento de la aguja indicadora como se muestra en la figura. 31  Instrumentos mecánicos 1.- Instrumentos Elásticos Manómetro de fuelle simple Un manómetro de fuelle simple mide la presión manométrica y de vacío. El medio del sistema fluye hacia el manómetro a través de la entrada de presión del manómetro (Figura 2 etiquetada C). Para aplicaciones de baja presión, el medio fluye directamente hacia el fuelle (Figura 2 etiquetada B) y para aplicaciones de alta presión, el medio fluye alrededor del fuelle. La diferencia de presión entre el interior y el exterior del fuelle provoca su dilatación o contracción. El fuelle está unido mecánicamente al puntero (Figura 2 etiquetada A). La expansión y contracción del fuelle mueve Figura 2: Un manómetro de fuelle. Puntero (A), fuelle (B) y entrada (C) proporcionalmente la aguja para indicar la presión del medio. Los fuelles suelen estar cargados por resorte, lo que impide su expansión completa y reduce al mínimo la posibilidad de que se dañen. 32  Instrumentos mecánicos 1.- Instrumentos Elásticos Manómetro de doble fuelle Los manómetros de doble fuelle suelen utilizarse para medir la presión absoluta. Un fuelle está evacuado y sellado, lo que hace un vacío perfecto. El otro fuelle está conectado a la presión de proceso del sistema. Los dos fuelles están unidos por un mecanismo de equilibrio de movimiento sobre un pivote fijo. El aumento de la presión del sistema hace que el fuelle de medición se expanda, lo que inclina el mecanismo de la balanza de movimiento y mueve la aguja que indica la presión absoluta. Los manómetros de doble fuelle también son adecuados Figura 3: Manómetro de doble fuelle. para medir la presión diferencial. Mide presión absoluta o diferencial. Un fuelle se conecta al lado de baja presión del sistema y el otro fuelle se conecta al lado de alta presión. 33  Manómetros de fuelles Figura 2 muestra un esquema mas terminado de un manómetro donde una cápsula elástica funciona Figura 1 como elemento sensor de la presión 34 Manómetros de fuelle VIDEO 35  Instrumentos mecánicos 1.- Instrumentos Elásticos Manómetro de Diafragma Es un tubo fino sin soldadura, ondulado, de acero inoxidable o latón que por efecto de la presión se estira o contrae con un desplazamiento considerable. Para conseguir una mayor duración y precisión el movimiento esta contrarrestado por un muelle 36  Instrumentos mecánicos 1.- Instrumentos Elásticos Manómetro de Diafragma Los diafragmas pueden ser metálicos y no metálicos. Entre los materiales comúnmente más utilizados se encuentran: bronce, cobre-berilio, acero inoxidable, neopreno, siliconas y teflón Se emplean en medición de bajas presiones y vacío; y en mediciones de presión absoluta y diferencial. Para presiones máximas de 25 bar 37  Instrumentos mecánicos 1.- Instrumentos Elásticos Manómetro de Diafragma Estas están sujetas alrededor del borde entre dos bridas o soldadas y sujetos a la presión del medio actuando en un lado. La desviación causada de esta forma se utiliza como medición para la presión y es mostrada por la aguja indicadora del instrumento. En comparación con los tubos Bourdon, estos elementos de diafragma tienen una fuerza activadora relativamente alta y debido a ello la sujeción en su periferia del elemento es insensible a la vibración. Además, el instrumento de medición puede protegerse contra elementos extremadamente corrosivos cubriéndolo con un material especial. Los márgenes de presión están entre 0... 16 mbar y 0... 40 bar en clase precisión desde 0,6 a 2,5 %. 38 Diafragma 39 Diafragma 40 DIAFRAGMA 41  DIAFRAGMA Sistemas de sellado Aplicaciones: a) El fluido de proceso es corrosivo para el dispositivo de medición b) El fluido es un gas o vapor con posibilidad de condensación por disminución de la temperatura durante la medición, por ejemplo: vapor de agua c) El fluido es un liquido con sólidos en suspensión d) El fluido es un liquido pastoso e) El fluido tiende a cristalizarse con la variación de la temperatura al ser aplicado al medidor, por ejemplo: petróleo, asfalto f) El fluido no puede depositarse sobre el dispositivo de medición, por ejemplo: medicamentos, alimentos g) El fluido es peligroso 42  Tubo de Sifón ¿Qué es un Tubo de Sifón? Un tubo de sifón para manómetro es un dispositivo utilizado para proteger los manómetros contra el efecto de la presión del fluido que se está midiendo. El tubo de sifón consiste en un tubo en forma de cola de cerdo o de U que se instala entre el manómetro y el fluido que se está midiendo a diferencia de los tubing red. El tubo de sifón se llena con un líquido, generalmente agua, que actúa como una barrera para proteger al manómetro de la presión del fluido que se está midiendo. 43  Tubo de Sifón ¿Qué es un Tubo de Sifón? El uso del tubo de sifón es necesario cuando se miden fluidos que están a alta temperatura o que contienen vapores o gases que pueden dañar el manómetro o afectar la precisión de la medición a diferencia de los tubing red. El tubo de sifón también se utiliza para proteger los manómetros de las fluctuaciones de la presión del fluido, lo que puede dañar el mecanismo interno del manómetro. 44  Tubo de Sifón Características y funciones de los Tubos de Sifón El diseño del tubo de sifón para manómetro puede variar, pero por lo general consiste en un tubo de acero inoxidable o de acero carbono que puede tener varios espesores de pared schedule 40, schedule 80, se conecta a una tubería de entrada y salida. El líquido se introduce en el tubo de sifón y luego se sella herméticamente. El líquido actúa como una barrera para la presión del fluido que se está midiendo y evita que la presión afecte directamente al manómetro a diferencia de los tubing red. 45  Tubo de Sifón En resumen, un tubo de sifón para manómetro es un dispositivo que protege al manómetro contra la presión del fluido que se está midiendo y se utiliza en aplicaciones en las que la presión del fluido puede dañar el manómetro o afectar la precisión de la medición. 46  Instrumentos Electromecánicos y Electrónicos Sensor de Presión Capacitivo Un sensor de presión capacitivo es un capacitor cuyas dos terminales se juntan o se separan por acción de la presión. (Esta separación se traduce en una variación de la capacitancia, la cual es medida, y se usa como base para calcular la presión del medio.) La deformación de la membrana, inducida por la presión, reduce la distancia entre las dos placas con el efecto de un aumento de la capacidad, manteniendo igual la superficie y la constante dieléctrica. 47  Instrumentos Electromecánicos y Electrónicos Sensor de Presión Capacitivo El diafragma es un elemento elástico corrugado que deflexiona en función a la presión diferencial a través de él. El desplazamiento es proporcional a la presión diferencial y su posición es detectada por las placas de dos capacitores ubicados a ambos lados del mismo. La capacidad diferencial entre el diafragma y las placas de los capacitores es convertida a una señal de corriente continua de 4 a 20 mili amperes que es estándar en la industria (o, eventualmente, de 10 a 50 mAmp.). 48  Instrumentos Electromecánicos y Electrónicos Sensor de Presión Capacitivo Componentes Clave 1.Diafragma: Una membrana flexible que se deforma cuando se aplica presión. 2.Electrodos: Dos placas conductoras separadas por un espacio que actúan como un capacitor. Una de estas placas está fija y la otra está unida al diafragma. 3.Espacio de Aire o Dieléctrico: El espacio entre los electrodos que puede estar lleno de aire u otro material dieléctrico. 49  Instrumentos Electromecánicos y Electrónicos Sensor de Presión Capacitivo Ventajas Alta precisión y sensibilidad. Capacidad para medir presiones muy bajas. Resistencia a temperaturas y ambientes extremos. Desventajas Pueden ser más caros que otros tipos de sensores de presión. Sensibles a interferencias electromagnéticas. 50  Instrumentos Electromecánicos y Electrónicos Sensor de Presión Capacitivo 51  Instrumentos Electromecánicos y Electrónicos Sensor de Presión Capacitivo 52  Instrumentos Electromecánicos y Electrónicos SENSOR PRESIÓN INDUCTIVO Se basa en que al desplazar un núcleo móvil dentro de una bobina aumenta la tensión inducida en el arrollamiento secundario. 53  Instrumentos Electromecánicos y Electrónicos Sensor piezoeléctrico Los transductores de presión piezoeléctricos utilizan cristal de cuarzo o material cerámico para generar una carga eléctrica cuando se aplica una presión. Esta carga eléctrica, medida como un voltaje, es proporcional al cambio de presión. Este transductor es muy Figura : Vista seccional de los componentes del sensible y de respuesta transductor de presión piezoeléctrico: tuerca (A), carcasa (B), cristal (C), diafragma (D), extremadamente rápida. cable conductor (E) y disco (F) 54  Instrumentos Electromecánicos y Electrónicos Sensor piezoeléctrico Son materiales cristalinos que al deformarse físicamente por la acción de una presión, generan una señal eléctrica. Dos materiales típicos en los transductores piezoeléctricos son el cuarzo y el titanio de bario, capaces de soportar temperaturas del orden de 150° C en servicio continuo y de 230° C en servicio intermitente. 55  Instrumentos Electromecánicos y Electrónicos Sensor piezoeléctrico - Son elementos ligeros, de pequeño tamaño y robustos - Su señal de respuesta a una variación de presión es lineal - Adecuados para medidas dinámicas - Respuestas de frecuencias de hasta un millón de Hz. - Tienen la desventaja de ser sensibles a los cambios en la temperatura y precisan ajuste de impedancias en caso de fuerte choque. - Su señal de salida es relativamente débil por lo que precisan de amplificadores y acondicionadores de señal que pueden introducir errores en la medición. 56 Sensor piezoeléctrico 57 Sensor piezoeléctrico 58  Transductor de presión de galgas extensiométricas Estos transductores son adecuados para medir presiones extraordinariamente altas y bajas, así como la presión diferencial. La presión diferencial es la diferencia de presión entre dos puntos cualquiera. El transductor contiene un elemento sensor, un diafragma. Cualquier deformación del diafragma provocará un cambio en la resistencia de las galgas extensométricas. Normalmente, se utilizan 4 galgas en un puente de Wheatstone para maximizar la sensibilidad del transductor. Este cambio de resistencia se convierte en una señal de salida utilizable. Figura 2: Componentes del transductor de presión de la galga extensiométrica: } conector (A), carcasa (B), galga extensiométrica (C) y entrada de presión (D) 59  Instrumentos Electromecánicos y Electrónicos Transductor de presión de galgas extensiométricas Al someter una galga a presión, varía su longitud y su diámetro y en consecuencia su resistencia eléctrica. Para medir dicha resistencia se conecta la galga a un puente de Wheatstone. Se suelen conectar 4 (2 a tensión y 2 a compresión) y además a la misma temperatura, para evitar cambios en R que no se deban a la deformación 60 Selección del medidor de presión -Requerimientos de presión del sistema -El rango debe ser 125% de la presión normal de trabajo -Exactitud y precisión -Temperatura del proceso -Compatibilidad del medidor con el fluido -Grado de protección -Tipo de rosca 64 Características de los medidores de presión 65  Transductores de Presión Este tipo de instrumentos de presión convierten la deformación producida por la presión en señales eléctricas. Requiere una fuente de alimentación eléctrica. Tiene excelentes características dinámicas, es decir, el menor cambio producido por la deformación debida a la presión, es suficiente para obtener una señal perfectamente detectable por el sensor. 66 Transductores de Presión Convierten la presión a una señal estándar: PX605 and PX615:Thin Film Pressure Transmitters, Stainless Steel Construction 4-20mA, 0-20mA, 1-5VDC. PX242A and PXM24A Series : Stainless Steel Case Transducer for Measuring Low Pressure and Vacuums 67 Transductores de presión 68 Bibliografía Considine, Douglas M. (1993). Process/Industrial Instruments and controls handbook. New York: Mc Graw- Hill. (621.381I/C74) Creus Sole, Antonio (2006). Instrumentación Industrial. México D.F.: Alfaomega. (621.381I/C85/2006) Kerlin, Thomas (1982). Industrial temperature measurement: ISA. (621.381I/K44) Norton, Harry (1984). Sensores y analizadores. Barcelona: G.Gili S.A. (621.381I/N82) Spitzer, David W. (1990). Industrial Flow Measurement. North Carolina: ISA. (621.381I/S58) 69