medición de presión
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MEDICION DE PRESION
Estudiaremos el funcionamiento de algunos tipos de medidores de presión mas utilizados en la industria.
Introducción La presión de un fluido resulta del intercambio de
cantidad de movimiento entre las moléculas de un fluido y la pared del recipiente que lo contiene, el cual depende de su cantidad y de la velocidad promedio de estas.
La presión se representa como fuerza por unidad de área, por lo cual se la puede considerar en sentido general como un tipo de esfuerzo (para sólidos).
Para esta clase, la presión se restringe a los sistemas de fluidos.
Las presiones de baja magnitud frecuentemente se expresa en términos de altura de una columna de líquido (mercurio y agua).
Introducción
La presión manométrica representa la diferencia entre la presión absoluta y la presión atmosférica local.
Por tanto la presión manométrica depende de muchas variables: la elevación sobre el nivel del mar, la velocidad, la densidad y la temperatura del fluido.
La mayoría de los medidores de presión son relativos a la presión atmosférica, por tanto miden presión manométrica
Presión Atmosférica
Presión manométrica positiva
Presión manométrica negativa o vacío
Presión absoluta (cero)
Pabsoluta = Pmanométrica + Patmosférica
Clasificación de los sistemas de medición de presión
Gravitacional: Medidores de columna, calibradores de pesos muertos,
manómetros, Medidor Mcleod.
Elásticos de acción directa: Tubos bourdon y sus derivaciones, diafragmas y fuelles
Elásticos de acción indirecta: A base de galgas extensométricas, piezoeléctricos, resistivos,
magnéticos y capacitivos.
Existen otro tipo de medidores de presión menos utilizados, que no lo cubriremos en este curso.
Medidores gravitacionales
Manómetros de tubo “U” miden presiones diferenciales, pueden ser manométricas. P = ρgh
Una variación de estos son los manómetros inclinados, que se caracterizan por una mayor sensibilidad en la medición.
Medidores gravitacionales Calibrador de pesos muertos:
Se utiliza para equilibrar la presión de un fluido con un peso conocido.
Se utiliza para calibración estática de medidores de presión.
Tubo Bourdon Este tipo de medidor de presión es uno de los más
utilizados en la industria Es un tubo de sección elíptica que forma un anillo casi
completo y cerrado por un extremo. Al aumentar la presión en el interior del tubo, este tiende
a enderezarse y este movimiento es transmitido a la aguja indicadora a través de un sistema de palancas y un piñón.
La ley de deformación del tubo es bastante compleja y ha sido determinada empíricamente.
El material empleado es generalmente acero inoxidable, aleaciones de cobre y monel.
Tubo BourdonPara aumentar el amortiguamiento en medidores de presión montados en lugares con alta vibración, todo el sistema incluido la pluma indicadora está montado dentro de un baño de glicerina líquida.
Es un sistema barato para medir presiones estáticas.
Se pueden llegar a exactitudes de hasta 0.1 %
Errores
Dentro de los errores mas comunes que se pueden apreciar en este tipo de instrumentos tenemos: Error de Paralelismo Error de Multiplicación Error de Angularidad
Este tipo de errores se pueden presentar en otro tipo de instrumentos.
Son una clasificación de errores sistemáticos.
Correcciones de los errores.
Generalmente ninguno de estos errores se presentan solos, en la mayoría de los casos existe una combinación de los tres tipos de errores.
El método de corrección consiste en comparar estas medidas con un patrón e ir construyendo la curva de calibración para realizar las correcciones.
Variaciones del tubo bourdon
Dentro de este diseño de medidores de presión podemos tener: Medidores de presión helicoidales Medidores de presión en espiral.
Estas variaciones se utilizan en sistemas que requieran mayor sensibilidad y precisión.
Medidores de presión helicoidales
Está enrollado más de una espira en forma de hélice.
Medidores de presión en espiral
Estos elementos proporcionan un desplazamiento grande del extremo libre y por ello se utilizan mucho en registradores y sistemas de control.
Está enrollado en forma de espira alrededor de un eje común.
Medidores de diafragma
Consiste en una o varias cápsulas circulares conectadas rígidamente entre si por soldadura, de forma que al aplicar presión, cada cápsula se deforma y la suma de los pequeños desplazamientos es amplificada por un juego de palancas.
El movimiento se aproxima a una relación lineal. Presenta una histéresis baja El material del diafragma es normalmente una aleación
de níquel Se utiliza para bajas presiones.
Medidores de fuelle Es parecido al diafragma, pero es de una sola pieza
flexible axialmente, y puede dilatarse y contraerse con un desplazamiento considerable.
Se caracterizan por tener mayor duración que los diafragmas por reducir al mínimo los concentradores de esfuerzos.
El material utilizado es generalmente bronce fosfórico tratado térmicamente.
Igualmente se emplean para pequeñas presiones.
Transductores resistivos
Estos utilizan un elemento elástico (bourdon, fuelle o diafragma) que hacen variar la resistencia óhmica de un potenciómetro en función de la presión.
El potenciómetro puede estar enrollado en una bobina siguiendo un valor lineal de resistencia.
El potenciómetro puede ser de grafito o metálico. El potenciómetro está conectado a un circuito de puente de
wheatstone. Se caracterizan por una alta histéresis.
A
LR
ρ=
Transductores magnéticos Se clasifican en 2 grupos: De inductancia variable:
El desplazamiento del núcleo móvil dentro de una bobina alimentada con corriente AC, aumenta la inductancia de esta en forma proporcional a la porción metálica del núcleo contenida dentro de la bobina.
L = Inductancia (H) f = Frecuencia del voltaje aplicado en Hz. X = Reactancia inductiva, el cual cuantifica el voltaje ac inducido
(ohmios) d = diámetro de la bobina a = longitud de la bobina n = número de espiras en la bobina
fLX L π2=ad
ndL
4018
22
+=
Transductores magnéticos De reluctancia variable:
Consisten en un imán permanente o un electroimán que crea un campo magnético dentro del cual se mueve un núcleo de material magnético
Al cambiar la posición del núcleo, varía la reluctancia y por tanto el flujo magnético, que da lugar a una corriente inducida en la bobina proporcional al grado de desplazamiento del núcleo móvil
V = voltaje inducido n = número de espiras en la bobina Φ = flujo magnético a través de la bobina
No existen rozamientos eliminándose la histéresis mecánica típica de estos instrumentos.
dt
dnV
Φ−=
Transductores magnéticos
LVDT: inductancia variable Reluctancia variable
Transductores capacitivos
Se utiliza el movimiento de cualquier elemento elástico para hacer cambiar la capacitancia de un condensador.
Esta capacitancia se puede comparar con circuitos oscilantes o en circuitos de puente de wheatstone alimentados con corriente alterna.
C = capacitancia (pf) K = constante dieléctrica (1 para aire) A = área proyectada entre placas (in2) n = número de placas d = separación entre placas (in)
d
nKAC
)1(2249.0 −=
Transductores en base a galgas extensométricas Se utilizan strain gages adheridos a una superficie elástica que se
deforma proporcionalmente con la presión. Estas galgas extensométricas están generalmente unidas a un
puente de wheatstone para indicación directa, o a un convertidor A/D.
Por lo extenso de estas aplicaciones lo cubriremos con mas detalle en la clase de medición de fuerza.
Transductores piezoeléctericos Son cristales que al deformarse físicamente por la acción de una
presión, generan una señal eléctrica. Los materiales típicos son: cuarzo y el titanato de bario, capaces de
soportar temperaturas de hasta 150°C. en servicio contínuo. La señal de salida es proporcional a la presión, y son
especialmente adecuados para medidas dinámicas de presión, siendo capaces de respuestas de hasta 1MHz. Para mediciones estáticas, la señal de salida (voltaje generado) disminuye con el tiempo
Son sensibles a los cambios de temperatura y delicados al choque. La señal de salida es relativamente débil.
V = voltaje h = espesor del material entre electrodos σ = esfuerzo G = constante del material (0.055 Vm/N para quarzo)
σGhV =