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Technical Documents - Documentos Técnicos: Instrumentación industrial. Medición de la presión. Instrumentos mecánicos, electromecánicos, electrónicos. Fuelles. Diafragmas.

SISTEMAS DE FLUIDOS A PRESIÓN

La medición de la presión no sólo es crítica para el funcionamiento seguro y óptimo de procesos tales como compresión del aire y de gases de otro tipo; operación de equipos hidráulicos, operaciones de separación, tales como la absorción, la desorción, la destilación, y la filtración, la generación de vapor y de procesamiento al vacío, sino que también  otras variables del proceso, tales como el nivel del contenido de los tanques (presión hidrostática) y el flujo (diferencial presión) se puede deducir de las mediciones de presión. La presión, por supuesto, es la clave para el uso de neumáticos y controladores. Además, la presión a veces es preferida antes que la temperatura como la variable a controlar. La presión del aire también activa las válvulas de diafragma del motor.

La instrumentación de presión varía ampliamente desde la relativa sencillez del bourdon de bajo costo y las galgas accionados por fuelles, a algunos de los sofisticados y complejos sensores transductores de presión (transmisores) que han aparecido en años muy recientes. Los transmisores de presión modernos difieren de sus contrapartes históricas principalmente en dos aspectos de diseño:

1. Transductores mecánicos que utilizaban vínculos, palancas y pivotes, que fueron sustituidos por electricidad y transductores electro-ópticos, lo que permite diversos grados de miniaturización de los sensores de recepción de fuerza.

2. La introducción de lo que comúnmente se denomina electrónica "inteligente" en el diseño del transmisor, en particular, la incorporación de un microprocesador, junto con otros circuitos electrónicos ingeniosos.

Es interesante notar que el progreso en el campo de medición de presión se ha debido principalmente a los descubrimientos y desarrollos en las industrias electrónica y de computadoras. Debido a la dinámica de los estas industrias, sería poco realista suponer que los de presión o, de hecho, cualquier otra área de la instrumentación industrial haya llegado a un estado que podría ser identificado como maduro. Así, el campo permanecerá en una fase transitoria en el futuro cercano, lo que hace la selección una difícil tarea en forma continua.

Debido a que un mercado importante permanece vigente aún para los medidores de presión  históricamente menos sofisticados, que incorporan mecánica y diseño simples , estos dispositivos se describen en este artículo.

1 - Presión

  • Medición de 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:

Existen muchas razones por las cuales en un determinado proceso se debe medir presión. Entre estas se tienen:

- Calidad del producto, la cual frecuentemente depende de ciertas presiones que se deben mantener en un proceso.

- Por seguridad, como por ejemplo, en recipientes presurizados donde la presión no debe exceder un valor máximo dado por las especificaciones del diseño.

- En aplicaciones de medición de nivel.

- En aplicaciones de medición de flujo.

Figura 1. Tipos de presión

En el sistema Internacional de Unidades, la unidad de medida de presión es el Pascal (Pa), que se define como la fuerza ejercida por un Newton (N) sobre un área de un metro cuadrado (m2). O sea, Pa = N/m2. Esta es una unidad de presión muy pequeña, pero el kilo pascal (KPa), 1.000 Pa, permite expresar fácilmente los rangos de presión comúnmente más usados en la industria petrolera. Otras de las unidades utilizadas son el Kilogramo por centímetro cuadrado (Kg./cm2); libras por pulgada cuadrada (Psi); bar, y otros.

En la tabla 1 se presentan los factores de conversión entre las unidades de presión más comunes.

Tabla 1. Factores de conversión para unidades de presión.

En estas páginas se estudiarán los principales métodos o principios mecánicos y electromecánicos utilizados en la medición de presión. También se hará una breve descripción sobre interruptores y de presión.

2 Instrumentos para medición de la presión

a. Instrumentos mecánicos

Los instrumentos mecánicos utilizados para medir presión cuyas características se resumen en la tabla 2, pueden clasificarse en:

- Columnas de Líquido:

  • Manómetro de Presión Absoluta.
  • Manómetro de Tubo en U.
  • Manómetro de Pozo.
  • Manómetro de Tubo Inclinado.
  • Manómetro Tipo Campana.

- Instrumentos Elásticos:

  • Tubos Bourdon.
  • Fuelles.
  • Diafragmas.

b. Instrumentos electromecánicos y electrónicos

Los instrumentos electromecánicos y electrónicos utilizados para medir presión pueden clasificarse en:

  • Medidores de Esfuerzo (Strain Gages)
  • Transductores de Presión Resistivos
  • Transductores de Presión Capacitivos
  • Transductores de Presión Magnéticos
  • Transductores de Presión Piezoeléctricos

Tabla 2. Principales características de los instrumentos para medir presión.

3. Descripción de los instrumentos de medir presión

Debido a su exactitud inherente, los manómetros se utilizan para la medición directa de presión y vacío. Aunque algunos diseños resistentes pueden ser utilizados en campo y en línea, los manómetros sirven en gran parte como patrones para la calibración de otros instrumentos de medición de presión.

a. Columnas de líquido

Estos instrumentos se conocen principalmente como “Manómetros”. En ellos la presión aplicada se balancea contra una columna de líquido. La forma más simple consiste de un tubo vertical sellado en un extremo, que contiene líquido; por el otro extremo se aplica la presión que se quiere medir. El líquido sube en el tubo hasta que el peso de la columna balancea la presión aplicada.

Figura 2. (a) Manómetro de presión absoluta, (b) Manómetro de tubo en “U”

Estos instrumentos encuentran su mayor aplicación en laboratorios y como patrones para calibración de otros instrumentos de presión.

El líquido utilizado depende del rango de presión a medir, pero generalmente se emplea agua, compuestos orgánicos y mercurio. A continuación se mencionan varios tipos de medidores de columnas de líquido:

• Manómetro para medición de Presión Absoluta: es simplemente un tubo en "U" que tiene un extremo sellado y al vacío y el otro extremo abierto a la presión absoluta que se va a medir, figura 2 (a). La ecuación que permite calcular el balance estático del instrumento es:

Donde:

  • P : Presión Absoluta
  • h : Diferencia de altura en los dos cuerpos del tubo
  • sg : Gravedad específica del líquido

• Manómetro de tubo en "U": se utiliza para medir presión diferencial. Consiste en un tubo en forma de "U" lleno de líquido. En cada una de las ramas del tubo se aplica una presión. La diferencia de altura del líquido en las dos ramas es proporcional a la diferencia de presiones. Un esquema característico puede verse en la figura 2 (b).

• Manómetro de Pozo: en este tipo de manómetro una de las columnas del tubo en "U" ha sido sustituida por un reservorio o pozo de gran diámetro, de forma tal que la presión diferencial es indicada únicamente por la altura del líquido en la rama no eliminada del tubo"U". Un ejemplo es mostrado en la figura 3 (a).

A1 = área de la pierna de diámetro menor

A2 = área del pozo

Figura  3. (a) Manómetro de pozo, (b) Manómetro de tubo inclinado

Si la relación de A1/A2 es pequeña comparado con la unidad, entonces el error de despreciar este término se hace insignificante, y se convierte en una relación de equilibrio estático

• Manómetro de Tubo Inclinado: se utiliza para mediciones de presiones diferenciales pequeñas. En este tipo de manómetro, la rama del tubo de menor diámetro esta inclinada con el objeto de obtener una escala mayor, ya que en este caso h = L sen Ø, figura 3 (b).

• Manómetro de Tipo Campana: este tipo de sensor es una campana invertida dentro de un recipiente que contiene un líquido sellante.

Figura. Manómetros tipo campana. (a) campana de líquido sellado. (B) Mmanométro de presión diferencial.

La campana está parcialmente sumergida en el líquido. La señal de mayor presión se aplica sobre el interior de la campana invertida; la señal de menor presión se aplica sobre el interior del recipiente que contiene el líquido. El movimiento vertical de la campana es proporcional al diferencial de presión. Para un balance estático puede utilizarse la siguiente ecuación:

Donde:

  • Kr : Constante del resorte
  • h : Desplazamiento de la campana
  • A : Área del interior de la campana
  • P2-P1 : Diferencial de presión

 

Barómetro líquido.

Un simple barómetro puede ser construido a partir de un tubo de vidrio que esté cerrado en un extremo y abierto en el otro. La longitud del tubo debe ser mayor que 30 pulgadas (76,2 cm). El tubo  primero es llenado completamente de mercurio, el extremo abierto temporalmente tapado, y después el extremo tapado es colocado en un recipiente parcialmente llenado con mercurio.

Cuando se quita el tapón, el mercurio en el tubo caerá en una cierto cantidad, creando un vacío en la parte superior del tubo. La altura de la columna, como se mide en la figura  y expresada en pulgadas o en milímetros de mercurio, será después proporcional a la presión atmosférica.

Manómetro de presión absoluta.

Este tipo de medidor comprende un vidrio de tubo en U parcialmente lleno de mercurio, con la parte superior de una pierna evacuado y sellada (ver figura). La presión a medir se aplica a la otra pierna, y h se puede leer en unidades de mercurio absolutas.

 

  • Medición de presión: Información adicional

 

b. Instrumentos elásticos de medición de presión

Esta clase de sensores se remontan a los primeros años de las tecnologías de la energía de vapor,  el aire comprimido y la hidráulica, donde los sensores de presión utilizaban alguna forma de elemento elástico cuya geometría se veía alterada por cambios en la presión.

Existen cuatro tipos de instrumentos elásticos principales utilizados para medir presión. Ellos son:

  • Tubos Bourdon.
  • Fuelles.
  • Diafragmas.
  • Cápsula

Básicamente están diseñados bajo el principio que establece la deflexión que sufre un elemento elástico que es proporcional a la presión aplicada.

 

  • Tubos Bourdon:

    En la patente de su inventor 1852  E. Bourdon describió el tubo bourdon como un tubo  curvado o trenzado cuya sección de transferencia difiere de una forma circular. En principio, se trata de un tubo cerrado en un extremo, con una sección transversal interna que no es un círculo perfecto, y, si está doblado o deformado, tiene la propiedad de cambiar su forma con las variaciones de la presión interna. Un aumento de la presión interna provoca que la sección transversal se vuelva más circular y que la forma se enderece, lo que resulta en el movimiento del extremo cerrado del tubo, un movimiento comúnmente llamado desplazamiento de punta. La deformación que sufre el tubo, debido a la presión aplicada, es altamente repetitiva, pudiendo el sensor ser calibrado para producir precisiones que en muchos casos alcanzan 0,05% del span. Tal como se muestra en la figura 4, el movimiento del extremo libre del tubo Bourdon se convierte, por medio de engranajes y eslabones, en un movimiento proporcional de una aguja o una plumilla del indicador o registrador. El movimiento de tubo Bourdon también puede ser acoplado electrónicamente a un transmisor o . Materiales de construcción: los tubos Bourdon pueden fabricarse de varios materiales, entre tos cuales se tiene: acero inoxidable 316 y 403, Cobre Berilio, K Monel, Monel y Bronce Fosforado. El material seleccionado determina tanto el rango como la resistencia del tubo a la corrosión. Por ejemplo, un tubo espiral de bronce es adecuado para presiones hasta 300 psig, mientras que uno de acero, puede manejar presiones de hasta 4.000 psig.

  • Tubo Bourdon tipo “C”: se utilizan principalmente para indicación local en medidores de presión, que están conectados directamente sobre recipientes de proceso y tuberías.
  • Tubo Bourdon en 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".
  • Tubo Bourdon Helicoidal: se construye de forma similar al tubo en espiral, pero enrollando el tubo en forma helicoidal.

Figura 4. Principio de operación del tubo Bourdon

Figura. Tipos de resortes bourdon. A) tubo tipo C, b) tubo espiral, c) tubo helicoidal

Aplicaciones: los tubos Bourdon se utilizan como instrumentos de medición directa y como instrumentos de presión en ciertos tipos de controladores, y registradores.

El tipo de Bourdon utilizado se determina principalmente por el espacio disponible en la caja del instrumento. Como una regla general, el tubo Bourdon tipo “C”, es el menos sensible y el espiral es el más sensible.

Ventajas y desventajas: entre las ventajas y desventajas de los medidores de presión de tubo Bourdon se incluyen:

Ventajas

  1. Bajo costo.
  2. Construcción simple.
  3. Cobertura de rangos bajos y altos.
  4. Una buena relación precisión/costo.
  5. Muchos años de experiencia en su aplicación.

Desventajas

  1. Pérdida de precisión por debajo de 50 psig.
  2. Usualmente requieren amplificación, la cual introduce histéresis.

Fuelles: Un fuelle puede definirse como 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. Este es un tubo metálico de pared delgada con paredes laterales con circunvoluciones que permiten la expansión y contracción axial (ver figura).

Figura : fuelle

En muchas aplicaciones el fuelle se expande muy poco, pero la fuerza que produce es significativa. Esta técnica se emplea frecuentemente en mecanismos de balance de fuerzas. Para producir una relación lineal entre el desplazamiento del fuelle y la presión aplicada, es práctica común colocar un resorte dentro del fuelle, tal como se muestra en la figura 5. La utilización de un fuelle con un resorte tiene varias ventajas: el procedimiento de calibración se simplifica, ya que el ajuste se hace únicamente sobre el resorte. Un resorte construido a partir de un material estable presentará estabilidad por un largo tiempo, lo cual es esencial en cualquier componente. Cuando se requiere medir presión absoluta o diferencial se utilizan mecanismos especiales formados por dos fuelles, uno de los cuales actúa como compensación o referencia.

Figura 5. Manómetro de tiro del tipo de fuelle

Los fuelles pueden ser metálicos o no metálicos. Los rangos típicos, cuando se utilizan fuelles de bronce o de acero inoxidable, van desde 0-100 mm Hg. (abs.) hasta 0-60 in Hg. (abs.). La mayoría de los fuelles están hechos de tubos sin costura, las circunvoluciones o bien están formadas hidráulicamente o mecánicamente laminadas. Los materiales utilizados son de latón, bronce fosforado, cobre al berilio, Monel, acero inoxidable, e Inconel.

Aplicaciones: los fuelles se utilizan en aplicaciones de medición de presión absoluta y medición de presión diferencial. Además, son parte importante en instrumentos tales como transmisores, controladores y registradores. Los elementos de fuelle están bien adaptados para su uso en aplicaciones que requieren movimientos largos y fuerzas altamente desarrolladas. Son muy adecuadas para elementos de entrada analógica para registradores de amplio margen  e indicadores y para elementos de retroalimentación en los  controladores neumáticos.

Diafragmas: El principio de operación es similar al de los fuelles, pero su construcción es diferente. El diafragma es un disco flexible generalmente con corrugaciones concéntricas, tal como se muestra en la figura  6.a.

Los diafragmas pueden ser metálicos y no metálicos. Entre los materiales comúnmente más utilizados se encuentran: bronce, cobre-berilio, acero inoxidable, Monel, neopreno, siliconas y teflón.

Figura 6. Diafragmas

Aplicaciones: los diafragmas se emplean en medición de bajas presiones y vacío; y en mediciones de presión absoluta y diferencial.

Cápsula.

El diafragma puede ser utilizado independientemente como un sensor de presión, pero también es componente básico de un elemento conocido como “cápsula”, figura 6.b. Una “cápsula” está formada por dos diafragmas unidos alrededor de su periferia. Existen dos tipos de cápsulas: convexas en las cuales la orientación de las corrugaciones de los dos diafragmas es opuesta; y tipo “nido” (nested) donde la orientación de las corrugaciones coincide. La cápsula de diafragma es utilizada por los transmisores neumáticos y electrónicos de diferencial de presión.

Una cápsula está formada uniendo la periferia de dos diafragmas a través de estañado o soldadura. Dos o más cápsulas pueden unirse entre sí (ver figura), y por lo tanto la deflexión  total del conjunto es igual a la suma de las desviaciones de las cápsulas individuales. Tales elementos se utilizan en algunas galgas de presión absoluta. Estas configuraciones también se utilizan en aplicaciones de aeronaves.

 

Figura. El uso del elemento cápsula en un manómetro.

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