Unidades y clases de presión
La presión es una fuerza por unidad de superficie y puede expresarse en unidades tales como pascal, bar, atmósferas, kilogramos por centímetro cuadrado y psi (libras por pulgada cuadrada). El pascal es 1 newton por metro cuadrado (1 N/m2), siendo el newton la fuerza que aplicada a un cuerpo de masa 1 kg le comunica una aceleración de 1 m/s2. Como el pascal es una unidad muy pequeña, se emplean también el kilopascal (1 kPa = 10-2 bar), el megapascal (1 MPa = 10 bar) y el gigapascal (1 GPa = 10.000 bar). En la industria se utiliza también el bar (1 bar = 105 Pa = 1,02 kg/cm2) y el kg/cm2, si bien esta última unidad, a pesar de su uso todavía muy extendido, se emplea cada vez con menos frecuencia, en par cular en nuevas plantas.
- Presión absoluta que se mide con relación al cero absoluto de presión.
- Presión atmosférica es la presión ejercida por la atmósfera terrestre medida mediante un barómetro. A nivel del mar, esta presión es próxima a 760 mm de mercurio absoluto y estos valores definen la presión ejercida por la atmósfera estándar.
- Presión relativa, que es la diferencia entre la presión absoluta y la atmosférica del lugar donde se realiza la medición. Hay que señalar que al aumentar o disminuir la presión atmosférica, disminuye o aumenta respectivamente la presión leída, si bien ello es despreciable al medir presiones elevadas.
- Presión diferencial es la diferencia entre dos presiones.
- Vacío es la diferencia de presiones entre la presión atmosférica existente y la presión absoluta, es decir, es la presión medida por debajo de la atmosférica. Viene expresado en mm columna de mercurio, mm columna de agua o pulgadas de columna de agua. Las variaciones de la presión atmosférica influyen considerablemente en las lecturas del vacío.
Elementos mecánicos
Podemos dividirlos en elementos primarios de medida directa que miden la presión comparándola con la ejercida por un líquido de densidad y altura conocidas (barómetro cubeta, manómetro de tubo en U, manómetro de tubo inclinado, manómetro de toro pendular, manómetro de campana) y en elementos primarios elásticos que se deforman con la presión interna del fluido que contiene.
Los elementos primarios elásticos más empleados son el tubo de Bourdon, el elemento en espiral, el helicoidal, el diafragma y el fuelle.
Los materiales empleados normalmente son acero inoxidable, aleación de cobre o níquel o aleaciones especiales como hastelloy y monel.
El tubo de Bourdon es un tubo de sección elítica que forma un anillo casi completo, cerrado por un extremo. Al aumentar la presión en el interior del tubo, éste tiende a enderezarse y el movimiento es transmitido a la aguja indicadora, por un sector dentado y un piñón.
El elemento en espiral se forma arrollando el tubo Bourdon en forma de espiral alrededor de un eje común, y el helicoidal arrollando más de una espira en forma de hélice. Estos elementos proporcionan un desplazamiento grande del extremo libre y, por ello, son ideales para los registradores.
El diafragma consiste en una o varias cápsulas circulares conectadas rígidamente entre sí por soldadura, de forma que al aplicar presión, cada cápsula se deforma y la suma de los pequeños desplazamientos son amplificadas por un juego de palancas. El sistema se proyecta de tal modo que, al aplicar presión, el movimiento se aproxima a una relación lineal en un intervalo de medida lo más amplio posible con un mínimo de histéresis y de desviación permanente en el cero del instrumento.
El fuelle es parecido al diafragma compuesto, pero de una sola pieza flexible axialmente, y puede dilatarse o contraerse con un desplazamiento considerable
Los elementos primarios de presión absoluta consisten en un conjunto de fuelle y muelle opuesto a un fuelle sellado al vacío absoluto. El movimiento resultante de la unión de los dos fuelles equivale a la presión absoluta del fluido. El material empleado para los fuelles es latón o acero inoxidable. Se utilizan para la medida exacta y el control preciso de bajas presiones, a las que puedan afectar las variaciones en la presión atmosférica.
En la medida de presiones de fluidos corrosivos pueden emplearse elementos primarios elásticos con materiales especiales en contacto directo con el fluido. Sin embargo, en la mayoría de los casos, es más económico utilizar un fluido de sello de diafragma (glicerina o silicona), que llena totalmente la conexión de proceso del instrumento, cuando el fluido es altamente viscoso y obtura el elemento (tubo Bourdon, por ejemplo), o bien, cuando la temperatura del proceso es demasiado alta.
En la figura se muestra un resumen de los distintos elementos mecánicos de presión.
Elementos electromecánicos
Los elementos electromecánicos de
presión utilizan un elemento mecánico combinado con un transductor eléctrico,
que genera la correspondiente señal eléctrica. El elemento mecánico consiste en
un tubo Bourdon, espiral, hélice, diafragma, fuelle o una combinación de los
mismos que a través de un sistema de palancas convierte la presión en una
fuerza o en un desplazamiento mecánico.
Los elementos electromecánicos se
clasifican según el principio de funcionamiento en los siguientes tipos:
resistivos, magnéticos, capacitivos, extensométricos y piezoeléctricos.
Los elementos resistivos están constituidos de un elemento elástico
(tipo Bourdon o cápsula) que varía la resistencia óhmica de un potenciómetro en
función de la presión. El potenciómetro puede adoptar la forma de un sólo hilo
continuo, o bien estar arrollado a una bobina siguiendo un valor lineal o no de
resistencia.
El movimiento del elemento de
presión se transmite a un brazo móvil aislado que se apoya sobre el
potenciómetro de precisión. Éste está conectado a un circuito de puente de
Wheatstone.
Los elementos de inductancia variable utilizan el transformador
diferencial variable lineal (LVDT = Linear Variable Diferencial Transformer)
que proporciona una señal en c.a. proporcional al movimiento de una armadura de
material magnético situada dentro de un imán permanente o una bobina que crea
un campo magnético. Al cambiar la posición de la armadura, por un cambio en la presión
del proceso, varía el flujo magnético. Esta variación del flujo da lugar a una
corriente inducida en la bobina que es, por tanto, proporcional al grado de
desplazamiento de la armadura móvil.
Los elementos de reluctancia variable
se basan en el desplazamiento mecánico, debido a la presión, de un núcleo
magnético situado en el interior de una o dos bobinas. Estas bobinas están
conectadas a un puente de c.a. y la tensión de salida es proporcional a la
presión del fluido. El sensor está conectado a un puente alimentado por una
tensión alterna de frecuencias entre 1 KHz a 10 KHz. La variación de la
reluctancia magnética produce una modulación de inductancia efectiva que es
función de la presión del fluido
Los elementos capacitivos se basan en la variación de capacidad que
se produce en un condensador al desplazarse una de sus placas por la aplicación
de presión. La placa móvil tiene forma de diafragma y se encuentra situada
entre dos placas fijas.
De este modo, se tienen dos
condensadores uno de capacidad fija o de referencia y el otro de capacidad
variable, que pueden compararse en circuitos oscilantes o bien en circuitos de
puente de Wheatstone alimentados con corriente alterna.
Los elementos de galgas extensiométricas se basan en la variación
de longitud y de diámetro, y por lo tanto de resistencia, que tiene lugar
cuando un hilo de resistencia se encuentra sometido a una tensión mecánica por
la acción de una presión.
Existen dos pos de galgas
extensiométricas: galgas cementadas, formadas por
varios bucles de hilo muy no que están pegados a una hoja base de cerámica,
papel o plástico, y galgas sin cementar, donde los hilos de resistencia descansan
entre un armazón fijo y otro móvil bajo una ligera tensión inicial.
La aplicación de presión estira o
comprime los hilos, según sea la disposición que el fabricante haya adoptado,
modificando la resistencia de los mismos.
Las galgas extensiométricas tienen
una respuesta frecuencial excelente y pueden utilizarse en medidas estáticas y
dinámicas. No son influidas por campos magnéticos, pero presentan una señal de
salida débil, son muy sensibles a vibraciones y tienen una estabilidad dudosa a
lo largo del tiempo de funcionamiento.
Los elementos piezoeléctricos son materiales cristalinos que, al
deformarse físicamente por la acción de una presión, generan un potencial
eléctrico. Dos materiales típicos en los transductores piezoeléctricos son el
cuarzo y el titanato de bario, capaces de soportar temperaturas del orden de
150 °C en servicio continuo y de 230 °C en servicio intermitente.
Son elementos ligeros, de pequeño
tamaño y de construcción robusta. Su señal de respuesta a una variación de
presión es lineal y son adecuados para medidas dinámicas, al ser capaces de
respuestas frecuenciales de hasta un millón de ciclos por segundo. Tienen la
desventaja de ser sensibles a los cambios en la temperatura y de experimentar
deriva en el cero y precisar ajuste de impedancias en caso de fuerte choque.
Asimismo, su señal de salida es relativamente débil, por lo que precisan de
amplificadores y acondicionadores de señal que pueden introducir errores en la
medición.
Los elementos de película delgada son sensores piezoresistivos,
adecuados para presiones superiores a 25 bar, que consisten en membranas
cubiertas con una capa de resistencia, cuyo valor cambia con la aplicación de
presión. La membrana de acero inoxidable con ene una capa de aislamiento de
SiO2 de un espesor de 4-6 mm. Sobre dicha capa de resistencia y mediante un
proceso fotolitográfico se cauterizan las bandas extensiométricas y se van
depositando otras capas, todo ello utilizando la tecnología de película
delgada. La deformación de la membrana es mínima, del orden de micras, por lo
que posee buenas características dinámicas. Las bandas en número de cuatro se
conectan a un puente de Wheatstone.
En la tabla 3.3 pueden verse las
características de los elementos electromecánicos descritos
Elementos
electrónicos de vacío
McLeod.
Se
basa en comprimir una muestra del gas de gran volumen a un volumen pequeño y a
mayor presión mediante una columna de mercurio en un tubo capilar
Tubo Bourdon
Combina
la medida de presión y vacío con la escala en dos partes
Elementos mecánicos de fuelle y de
diafragma
Trabajan
en forma diferencial entre la presión atmosférica y la del proceso.
Elementos térmicos- Termopar, Pirani, bimetal
Se
basan en el principio de la proporcionalidad entre la energía disipada desde la
superficie caliente de un filamento calentado por una corriente constante y la
presión del gas ambiente cuando el gas está a bajas presiones.
Elementos de ionización
Se
basan en la formación de iones que se producen en las colisiones que existen
entre moléculas y electrones.
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