instrumentación industrial. medición de la presión

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Technical Documents - Documentos Tcnicos: Instrumentacin industrial.Medicin de la presin. Instrumentos mecnicos, electromecnicos, electrnicos.Fuelles. Diafragmas.

SISTEMAS DE FLUIDOS A PRESIN

La medicin de la presin no slo es crtica para el funcionamiento seguro y ptimo deprocesos tales como compresin del aire y de gases de otro tipo; operacin de equiposhidrulicos, operaciones de separacin, tales como la absorcin, la desorcin, la destilacin,y la filtracin, la generacin de vapor y de procesamiento al vaco, sino que tambin otrasvariables del proceso, tales como el nivel del contenido de los tanques (presin hidrosttica)y el flujo (diferencial presin) se puede deducir de las mediciones de presin. La presin,por supuesto, es la clave para el uso de transmisores neumticos y controladores. Adems,la presin a veces es preferida antes que la temperatura como la variable a controlar. Lapresin del aire tambin activa las vlvulas de diafragma del motor.

La instrumentacin de presin vara ampliamente desde la relativa sencillez del bourdon debajo costo y las galgas accionados por fuelles, a algunos de los sofisticados y complejossensores transductores de presin (transmisores) que han aparecido en aos muyrecientes. Los transmisores de presin modernos difieren de sus contrapartes histricasprincipalmente en dos aspectos de diseo:

1. Transductores mecnicos que utilizaban vnculos, palancas y pivotes, que fueronsustituidos por electricidad y transductores electro-pticos, lo que permite diversos gradosde miniaturizacin de los sensores de recepcin de fuerza.

2. La introduccin de lo que comnmente se denomina electrnica "inteligente" en el diseodel transmisor, en particular, la incorporacin de un microprocesador, junto con otroscircuitos electrnicos ingeniosos.

Es interesante notar que el progreso en el campo de medicin de presin se ha debidoprincipalmente a los descubrimientos y desarrollos en las industrias electrnica y decomputadoras. Debido a la dinmica de los estas industrias, sera poco realista suponer quelos transmisores de presin o, de hecho, cualquier otra rea de la instrumentacin industrial

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haya llegado a un estado que podra ser identificado como maduro. As, el campopermanecer en una fase transitoria en el futuro cercano, lo que hace la seleccin una difciltarea en forma continua.

Debido a que un mercado importante permanece vigente an para los medidores de presin histricamente menos sofisticados, que incorporan mecnica y diseo simples , estosdispositivos se describen en este artculo.

1 - Presin

Medicin de presin : manmetros

La presin se define como fuerza ejercida sobre una superficie por unidad de rea. Eningeniera, el trmino presin se restringe generalmente a la fuerza ejercida por un fluidopor unidad de rea de la superficie que lo encierra. De esta manera, la presin (P) de unafuerza (F) distribuida sobre un rea (A), se define como:

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

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

- Por seguridad, como por ejemplo, en recipientes presurizados donde la presin no debeexceder un valor mximo dado por las especificaciones del diseo.

- En aplicaciones de medicin de nivel.

- En aplicaciones de medicin de flujo.

Figura 1. Tipos de presin

En el sistema Internacional de Unidades, la unidad de medida de presin es el Pascal (Pa),que se define como la fuerza ejercida por un Newton (N) sobre un rea de un metrocuadrado (m2). O sea, Pa = N/m2. Esta es una unidad de presin muy pequea, pero el kilopascal (KPa), 1.000 Pa, permite expresar fcilmente los rangos de presin comnmentems usados en la industria petrolera. Otras de las unidades utilizadas son el Kilogramo porcentmetro cuadrado (Kg./cm2); libras por pulgada cuadrada (Psi); bar, y otros.

En la tabla 1 se presentan los factores de conversin entre las unidades de presin mscomunes.

Tabla 1. Factores de conversin para unidades de presin.


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En estas pginas se estudiarn los principales mtodos o principios mecnicos yelectromecnicos utilizados en la medicin de presin. Tambin se har una brevedescripcin sobre interruptores y transmisores de presin.

2 Instrumentos para medicin de la presin

a. Instrumentos mecnicos

Los instrumentos mecnicos utilizados para medir presin cuyas caractersticas se resumenen la tabla 2, pueden clasificarse en:

- Columnas de Lquido:

Manmetro de Presin Absoluta.Manmetro de Tubo en U.Manmetro de Pozo.Manmetro de Tubo Inclinado.Manmetro Tipo Campana.

- Instrumentos Elsticos:

Tubos Bourdon.Fuelles.Diafragmas.

b. Instrumentos electromecnicos y electrnicos

Los instrumentos electromecnicos y electrnicos utilizados para medir presin puedenclasificarse en:

Medidores de Esfuerzo (Strain Gages)Transductores de Presin ResistivosTransductores de Presin CapacitivosTransductores de Presin MagnticosTransductores de Presin Piezoelctricos

Tabla 2. Principales caractersticas de los instrumentos para medir presin.


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3. Descripcin de los instrumentos de medir presin

Debido a su exactitud inherente, los manmetros se utilizan para la medicin directa depresin y vaco. Aunque algunos diseos resistentes pueden ser utilizados en campo y enlnea, los manmetros sirven en gran parte como patrones para la calibracin de otrosinstrumentos de medicin de presin.

a. Columnas de lquido

Estos instrumentos se conocen principalmente como Manmetros. En ellos la presinaplicada se balancea contra una columna de lquido. La forma ms simple consiste de untubo vertical sellado en un extremo, que contiene lquido; por el otro extremo se aplica lapresin que se quiere medir. El lquido sube en el tubo hasta que el peso de la columnabalancea la presin aplicada.

Figura 2. (a) Manmetro de presin absoluta, (b) Manmetro de tubo en U

Estos instrumentos encuentran su mayor aplicacin en laboratorios y como patrones paracalibracin de otros instrumentos de presin.

El lquido utilizado depende del rango de presin a medir, pero generalmente se empleaagua, compuestos orgnicos y mercurio. A continuacin se mencionan varios tipos demedidores de columnas de lquido:

Manmetro para medicin de Presin Absoluta: es simplemente un tubo en "U" que tieneun extremo sellado y al vaco y el otro extremo abierto a la presin absoluta que se va amedir, figura 2 (a). La ecuacin que permite calcular el balance esttico del instrumento es:


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Donde:

P : Presin Absolutah : Diferencia de altura en los dos cuerpos del tubosg : Gravedad especfica del lquido

Manmetro de tubo en "U": se utiliza para medir presin diferencial. Consiste en un tuboen forma de "U" lleno de lquido. En cada una de las ramas del tubo se aplica una presin.La diferencia de altura del lquido en las dos ramas es proporcional a la diferencia depresiones. Un esquema caracterstico puede verse en la figura 2 (b).

Manmetro de Pozo: en este tipo de manmetro una de las columnas del tubo en "U" hasido sustituida por un reservorio o pozo de gran dimetro, de forma tal que la presindiferencial es indicada nicamente por la altura del lquido en la rama no eliminada deltubo"U". Un ejemplo es mostrado en la figura 3 (a).

A1 = rea de la pierna de dimetro menor

A2 = rea del pozo

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

Si la relacin de A1/A2 es pequea comparado con la unidad, entonces el error dedespreciar este trmino se hace insignificante, y se convierte en una relacin de equilibrioesttico

Manmetro de Tubo Inclinado: se utiliza para mediciones de presiones diferencialespequeas. En este tipo de manmetro, la rama del tubo de menor dimetro esta inclinadacon el objeto de obtener una escala mayor, ya que en este caso h = L sen , figura 3 (b).


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Manmetro de Tipo Campana: este tipo de sensor es una campana invertida dentro de unrecipiente que contiene un lquido sellante.

Figura. Manmetros tipo campana. (a) campana de lquido sellado. (B) Mmanomtro depresin diferencial.

La campana est parcialmente sumergida en el lquido. La seal de mayor presin se aplicasobre el interior de la campana invertida; la seal de menor presin se aplica sobre elinterior del recipiente que contiene el lquido. El movimiento vertical de la campana esproporcional al diferencial de presin. Para un balance esttico puede utilizarse la siguienteecuacin:

Donde:

Kr : Constante del resorteh : Desplazamiento de la campanaA : rea del interior de la campanaP2-P1 : Diferencial de presin

Barmetro lquido.

barmetros


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Un simple barmetro puede ser construido apartir de un tubo de vidrio que est cerrado enun extremo y abierto en el otro. La longitud deltubo debe ser mayor que 30 pulgadas (76,2cm). El tubo primero es llenadocompletamente de mercurio, el extremoabierto temporalmente tapado, y despus elextremo tapado es colocado en un recipienteparcialmente llenado con mercurio.

Cuando se quita el tapn, el mercurio en eltubo caer en una cierto cantidad, creando unvaco en la parte superior del tubo. La alturade la columna, como se mide en la figura yexpresada en pulgadas o en milmetros demercurio, ser despus proporcional a lapresin atmosfrica.

Manmetro de presin absoluta.

Este tipo de medidor comprende un vidrio detubo en U parcialmente lleno de mercurio, conla parte superior de una pierna evacuado ysellada (ver figura). La presin a medir seaplica a la otra pierna, y h se puede leer enunidades de mercurio absolutas.

Medicin de presin: Informacin adicionalpresostato

b. Instrumentos elsticos de medicin de presin

Esta clase de sensores se remontan a los primeros aos de las tecnologas de la energa devapor, el aire comprimido y la hidrulica, donde los sensores de presin utilizaban algunaforma de elemento elstico cuya geometra se vea alterada por cambios en la presin.

Existen cuatro tipos de instrumentos elsticos principales utilizados para medir presin.Ellos son:

Tubos Bourdon.Fuelles.Diafragmas.Cpsula

Bsicamente estn diseados bajo el principio que establece la deflexin que sufre unelemento elstico que es proporcional a la presin aplicada.

Tubos Bourdon:

En la patente de su inventor 1852 E. Bourdon describi el tubo bourdon como untubo curvado o trenzado cuya seccin de transferencia difiere de una forma circular.En principio, se trata de un tubo cerrado en un extremo, con una seccin transversalinterna que no es un crculo perfecto, y, si est doblado o deformado, tiene lapropiedad de cambiar su forma con las variaciones de la presin interna. Un aumentode la presin interna provoca que la seccin transversal se vuelva ms circular y quela forma se enderece, lo que resulta en el movimiento del extremo cerrado del tubo,un movimiento comnmente llamado desplazamiento de punta. La deformacin que


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sufre el tubo, debido a la presin aplicada, es altamente repetitiva, pudiendo elsensor 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 deltubo Bourdon se convierte, por medio de engranajes y eslabones, en un movimientoproporcional de una aguja o una plumilla del indicador o registrador. El movimientode tubo Bourdon tambin puede ser acoplado electrnicamente a un transmisor otransductor . Materiales de construccin: los tubos Bourdon pueden fabricarse devarios materiales, entre tos cuales se tiene: acero inoxidable 316 y 403, CobreBerilio, K Monel, Monel y Bronce Fosforado. El material seleccionado determina tantoel rango como la resistencia del tubo a la corrosin. Por ejemplo, un tubo espiral debronce 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 indicacin local en medidoresde presin, que estn conectados directamente sobre recipientes de proceso ytuberas.Tubo Bourdon en Espiral: se construyen enrollando el tubo, de seccin transversalplana, en una espiral de varias vueltas en vez de formar un arco de 270 como en eltipo C. Este arreglo da al espiral un mayor grado de movimiento por unidad decambio en la presin si se compara con el tubo Bourdon tipo "C".Tubo Bourdon Helicoidal: se construye de forma similar al tubo en espiral, peroenrollando el tubo en forma helicoidal.

Figura 4. Principio de operacin 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 medicin directa y comoinstrumentos de presin en ciertos tipos de controladores, transmisores y registradores.

El tipo de Bourdon utilizado se determina principalmente por el espacio disponible en la cajadel instrumento. Como una regla general, el tubo Bourdon tipo C, es el menos sensible yel espiral es el ms sensible.

Ventajas y desventajas: entre las ventajas y desventajas de los medidores de presin detubo Bourdon se incluyen:

Ventajas


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Bajo costo.I.Construccin simple.II.Cobertura de rangos bajos y altos.III.Una buena relacin precisin/costo.IV.Muchos aos de experiencia en su aplicacin.V.

Desventajas

Prdida de precisin por debajo de 50 psig.I.Usualmente requieren amplificacin, la cual introduce histresis.II.

Fuelles: Un fuelle puede definirse como un tubo flexible, el cual cambia su longitud deacuerdo a la presin aplicada. Este cambio de longitud es mucho mayor que el que seobtendra si se utilizara un tubo Bourdon de las mismas caractersticas. Este es un tubometlico de pared delgada con paredes laterales con circunvoluciones que permiten laexpansin y contraccin axial (ver figura).

Figura : fuelle

En muchas aplicaciones el fuelle se expande muy poco, pero la fuerza que produce essignificativa. Esta tcnica se emplea frecuentemente en mecanismos de balance de fuerzas.Para producir una relacin lineal entre el desplazamiento del fuelle y la presin aplicada, esprctica comn colocar un resorte dentro del fuelle, tal como se muestra en la figura 5. Lautilizacin de un fuelle con un resorte tiene varias ventajas: el procedimiento de calibracinse simplifica, ya que el ajuste se hace nicamente sobre el resorte. Un resorte construido apartir de un material estable presentar estabilidad por un largo tiempo, lo cual es esencialen cualquier componente. Cuando se requiere medir presin absoluta o diferencial seutilizan mecanismos especiales formados por dos fuelles, uno de los cuales acta comocompensacin o referencia.

Figura 5. Manmetro de tiro del tipo de fuelle

Los fuelles pueden ser metlicos o no metlicos. Los rangos tpicos, cuando se utilizan


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fuelles de bronce o de acero inoxidable, van desde 0-100 mm Hg. (abs.) hasta 0-60 in Hg.(abs.). La mayora de los fuelles estn hechos de tubos sin costura, las circunvoluciones obien estn formadas hidrulicamente o mecnicamente laminadas. Los materiales utilizadosson de latn, bronce fosforado, cobre al berilio, Monel, acero inoxidable, e Inconel.

Aplicaciones: los fuelles se utilizan en aplicaciones de medicin de presin absoluta ymedicin de presin diferencial. Adems, son parte importante en instrumentos tales comotransmisores, controladores y registradores. Los elementos de fuelle estn bien adaptadospara su uso en aplicaciones que requieren movimientos largos y fuerzas altamentedesarrolladas. Son muy adecuadas para elementos de entrada analgica para registradoresde amplio margen e indicadores y para elementos de retroalimentacin en los controladores neumticos.

Diafragmas: El principio de operacin es similar al de los fuelles, pero su construccin esdiferente. El diafragma es un disco flexible generalmente con corrugaciones concntricas,tal como se muestra en la figura 6.a.

Los diafragmas pueden ser metlicos y no metlicos. Entre los materiales comnmente msutilizados se encuentran: bronce, cobre-berilio, acero inoxidable, Monel, neopreno, siliconasy tefln.

Figura 6. Diafragmas

Aplicaciones: los diafragmas se emplean en medicin de bajas presiones y vaco; y enmediciones de presin absoluta y diferencial.

Cpsula.

El diafragma puede ser utilizado independientemente como un sensor de presin, perotambin es componente bsico de un elemento conocido como cpsula, figura 6.b. Unacpsula est formada por dos diafragmas unidos alrededor de su periferia. Existen dostipos de cpsulas: convexas en las cuales la orientacin de las corrugaciones de los dosdiafragmas es opuesta; y tipo nido (nested) donde la orientacin de las corrugacionescoincide. La cpsula de diafragma es utilizada por los transmisores neumticos yelectrnicos de diferencial de presin.

Una cpsula est formada uniendo la periferia de dos diafragmas a travs de estaado osoldadura. Dos o ms cpsulas pueden unirse entre s (ver figura), y por lo tanto ladeflexin total del conjunto es igual a la suma de las desviaciones de las cpsulasindividuales. Tales elementos se utilizan en algunas galgas de presin absoluta. Estasconfiguraciones tambin se utilizan en aplicaciones de aeronaves.


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Figura. El uso del elemento cpsula en un manmetro.

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