DISPOSITIVOS DE CONTROL Y MEDIDA DE LA PRESIÓN

Elementos mecánicos para medir la presión.

Se dividen en: 1.° 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 2.° elementos primarios elásticos que se deforman por la presión interna del fluido que contienen.

Los elementos primarios elásticos más empleados son: el tubo Bourdon, el elemento en espiral, el helicoidal, el diafragma y el fuelle.

MANÓMETROS

Un manómetro es un dispositivo que mide la intensidad de una fuerza aplicada (presión) a un líquido o gas. Estos pueden ser de dos clases:

1. Los que equilibran la presión desconocida con otra que se conoce. A este tipo pertenece el manómetro de vidrio en U, en el que la presión se determina midiendo la diferencia en el nivel del líquido de las dos ramas.

 

2. Los que la presión desconocida actúa sobre un material elástico que produce el movimiento utilizado para poder medir la presión. A este tipo de manómetro pertenece el manómetro de tubo de Bourdon, el de pistón, el de diafragma, etc.

Manómetro de Bourdon

Para una operación segura y eficiente, los sistemas de potencia fluida se diseñan para funcionar a una presión y/o una temperatura específicas, o dentro de una gama de presión y/o de temperaturas. El tubo Bourdon es un tubo de sección elíptica 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. La ley de deformación del tubo Bourdon es bastante compleja y ha sido determinada empíricamente a través de numerosas observaciones y ensayos en varios tubos.

El material empleado normalmente en el tubo Bourdon es de acero inoxidable, aleación de cobre o aleaciones especiales como hastelloy y monel.

Se detalló en otras páginas de éste sitio, que el poder lubricante de líquidos hidráulicos varía con temperatura y que temperaturas excesivamente altas reducen la vida de los líquidos hidráulicos. También hay que tener en cuenta que los materiales, las dimensiones, y el método de fabricación de los componentes potencia fluida limitan la presión y la temperatura en las cuales un sistema funciona.

La mayoría de los sistemas de potencia fluidos se proporcionan con los correspondientes manómetros y termómetros para medir e indicar la presión y/o la temperatura en el sistema. Además, varios interruptores de presión o temperatura excesiva se utilizan para advertir de una condición adversa de presión o de temperatura. Algunos interruptores incluso interrumpirán el sistema de cuando ocurre una condición adversa. Estos dispositivos serán discutidos a

 

 

 

 

 

 

 

continuación.

INDICADORES DE PRESIÓN

Muchos instrumentos de medición de presión se llaman manómetros. Sin embargo, las páginas siguientes serán restringidas a dos instrumentos mecánicos que contienen elementos elásticos que responden a las presiones encontradas en sistemas de potencia fluida – el tubo Bourdón y los manómetros de fuelles.

Fig. : Indicador de presión de tubo de Bourdón tipo simplex.

MANÓMETROS DE TUBO DE BOURDÓN

La mayoría de los indicadores de presión en uso tiene un tubo Bourdón como elemento de medición. (El manómetro se lama así por su inventor, Eugene Bourdon , un ingeniero francés.) El tubo de Bourdón es un dispositivo que detecta la presión y convierte la presión en desplazamiento. Puesto que el desplazamiento de tubo de Bourdón es una función de la presión aplicada, ésta puede ser amplificada e indicada mecánicamente por una aguja en un dial. Así, la posición del indicador indica indirectamente la presión.

Este manómetro consiste de una carátula o dial calibrada en unidades psi o Kpa y una aguja indicadora conectada a través de una articulación a un tubo curvado de metal flexible llamado tubo de Bourdón. El tubo de Bourdón se encuentra conectado a la presión del sistema.

Conforme se eleva la presión en un sistema, el tubo de bourdon tiende a enderezarse debido a la diferencia en

áreas entre sus diámetros interior y exterior. Esta acción ocasiona que la aguja se mueva e indique la presión apropiada en la carátula.

El manómetro de tubo de Bourdón, es por lo general, un instrumento de precisión cuya exactitud varia entre 0,1% y 3% de su escala completa. Son empleados frecuentemente para fines de experimentación y en sistemas donde es importante determinar la presión.El manómetro de Bourdón viene disponible en varias formas del tubo: curvado o forma de “C”, helicoidal, y espiral. El tamaño, la forma, y el material del tubo dependen del rango de presión y del tipo de indicador deseados. Los tubos de Bourdón de baja presión (presiones hasta 2000 psi) se hacen a menudo de bronce fosforoso. Los tubos de Bourdón de alta presión (presiones sobre 2000 psi) se hacen de acero inoxidable o de otro material de alta resistencia. Los tubos de Bourdón de alta presión tienden a tener secciones transversales circulares a diferencia de sus contrapartes de bajo rango que tienden a tener secciones transversales ovales. El tubo de Bourdón de uso mas extenso es el tubo de metal en forma de “C” que viene sellado en un extremo y se abierto en el otro (ver figura adjunta arriba). Tubo de Bourdón en forma de “C”

El tubo de Bourdón en forma de “C” tiene una sección transversal hueca y elíptica. Es cerrado en un extremo y está conectado a la presión del fluido en el otro extremo. Cuando se aplica presión, su sección transversal se vuelve más circular, haciendo que el tubo se extienda hacia fuera, como una manguera de jardín al abrir el agua, hasta que la fuerza de la presión del fluido sea balanceada por la resistencia elástica del material del tubo. Puesto que el extremo abierto del tubo se ancla en una posición fija, los cambios de presión se traducen en un desplazamiento del extremo cerrado. Un indicador se fija al extremo cerrado del tubo a través de un conjunto compuesto por un brazo de acoplamiento mecánico, un engranaje y un piñón, que gira el puntero o indicador alrededor de una escala graduada.

Fig.: Indicador de presión tipo tubo de Bourdon Dúplex

Los manómetros de presión tipo tubo de Bourdón se clasifican generalmente como simplex o dúplex , dependiendo de si miden una presión o dos presiones. Un manómetro simplex tiene solamente un tubo de Bourdón y mide solamente una presión. El manómetro mostrado en la figura adjunta es del tipo simplex. Una mano roja está disponible en algunos

manómetros. Esta mano se coloca manualmente en la presión de funcionamiento máxima del sistema o porción del sistema en el cual el manómetro está instalado.

Cuando dos tubos de Bourdón se montan en un solo bloque, con cada mecanismo actuando independientemente, pero con los dos indicadores montados en un dial común, el dispositivo recibe el nombre de manómetro dúplex. La figura adjunta muestra un manómetro dúplex con dial y el mecanismo de funcionamiento. Observe que cada tubo de Bourdón tiene su propia conexión de presión y su propio indicador. Los manómetros dúplex se utilizan para dar una indicación simultánea de la presión desde dos ubicaciones diferentes. Por ejemplo, puede ser utilizada para medir las presiones de entrada y salida de un regulador de presión para obtener la presión diferencial a través del mismo.

 

Fig.: Indicador de presión diferencial con tubos de Bourdon.

La presión diferencial se puede también medir con los tubos de los manómetros de Bourdón. Una clase de manómetro de presión de diferencial de tubo de Bourdón se ve en la figura adjunta. Este indicador de presión tiene dos tubos de Bourdón pero solamente un indicador. Los tubos de Bourdón están conectados de una manera tal que indiquen la diferencia de la presión, en vez de cada una de las dos presiones reales.

Según lo mencionado anteriormente, los indicadores de presión de tubo Bourdón se utilizan en muchos sistemas hidráulicos. En este caso se conocen generalmente como manómetros hidráulicos. Los manómetros hidráulicos del tipo tubo de Bourdón no son particularmente diferentes de otros tipos de indicadores de presión tipo tubo de Bourdón en la forma en que funcionan; sin embargo, tienen a veces características de diseño especiales debido a las presiones de sistema extremadamente altas a las cuales pueden ser expuestos. Por ejemplo, algunos manómetros hidráulicos tienen un tipo especial de acoplamiento por resorte que sea capaz de absorber sobrepresiones y caídas de presión sin daño al movimiento de la aguja indicadora, y que evite que el indicador retorne con excesiva velocidad a cero cuando la presión se cambia repentinamente. Un manómetro hidráulico que no tenga tal dispositivo se deberá proteger por una válvula de retención conveniente. Algunos manómetros hidráulicos pueden también tener diales especiales que indiquen tanto la presión (en psi) como la fuerza total correspondiente que es aplicada, por ejemplo las toneladas de fuerza producidas por una prensa hidráulica.

Fig. : Tubo de Bourdón espiral.

 

Tubos de Bourdón espiral y helicoidal ( Spiral and Helical Bourdon Tubes )

Los tubos de Bourdón espiral y helicoidal (ver figuras adjuntas) se hacen de tubería con sección transversal aplanada. Ambos fueron diseñados para proporcionar mayor recorrido de la extremidad del tubo, sobre todo para mover la pluma de grabación de registradores de presión. 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.

 

Fig.: Tubo de Bourdón helicoidal.

 

ELEMENTOS DE FUELLES FLEXIBLES

Un fuelle flexible es una unidad enrollada que se expande y contrae axialmente con los cambios en la presión. La presión para ser medida se puede aplicar tanto al exterior como al interior de los fuelles; en la práctica, la mayoría de los aparatos de medición por elementos elásticos como los fuelles tienen la presión aplicada al exterior de los mismos (ver figura adjunta).

 

Fig.: Indicador de fuelle simple

 

Dispositivos de fuelle simple ( Simple bellows elements )

Los elementos elásticos de los fuelles se hacen de latón, de aleación de fósforo y bronce, de acero inoxidable, de cobre al berilio, o de otro metal apropiado para el servicio previsto del manómetro. El movimiento del elemento (fuelle) es transmitido por el acoplamiento y los engranajes convenientes a un indicador de dial. La mayoría de los manómetros de fuelle son con carga a resorte, o sea, un resorte se opone al fuelle y previene así la expansión completa del fuelle. La limitación de la extensión excesiva de los fuelles protege de esta manera a los mismos y prolonga su vida. Debido a la elasticidad tanto de los fuelles como del resorte, en un dispositivo con carga de resorte, la relación entre la presión aplicada y el movimiento del fuelle es lineal.

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 es amplificada 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 material del diafragma es normalmente aleación de níquel o inconel x. Se utiliza para pequeñas presiones.

El fuelle es parecido al diafragma compuesto, pero

de una sola pieza flexible axialmente, y puede dilatarse o contraerse con un desplazamiento considerable.

Hay que señalar que los elementos de fuelle se caracterizan por su larga duración, demostrada en ensayos en los que han soportado sin deformación alguna millones de ciclos de flexión. El material empleado para el fuelle es usualmente bronce fosforoso y el muelle es tratado térmicamente para mantener fija su constante de fuerza por unidad de compresión. Se emplean para pequeñas presiones.

 

 

Fig.: Sensor de presión diferencial de fuelle doble.

 

Indicadores a fuelle dual (Dual bellows indicators).

Otro tipo de dispositivo a fuelle es el elemento de fuelle dual. La figura adjunta es un diagrama esquemático de este indicador. Los indicadores de presión de fuelle dual se utilizan ampliamente en la marina de guerra como dispositivos medidores de caudal, indicadores de nivel, o de presión.

Al estar en funcionamiento, los fuelles se moverán en proporción a la diferencia de presión aplicada a la unidad de fuelles. El movimiento lineal de los fuelles es detectado por un brazo de impulsión y transmitido como movimiento rotatorio a través de un conjunto de tubo del torque. El mecanismo de indicación, multiplica la rotación del torque a través de un engranaje y de un piñón que se ve reflejado en la aguja

indicadora.

Los dispositivos a fuelle se utilizan en varias aplicaciones donde el elemento sensible a la presión debe ser bastante poderoso para hacer funcionar, no sólo la aguja indicadora, sino también un algún tipo de dispositivo de registro donde dejar constancia de las variaciones detectadas.

 

1. CUERPO 2. PISTON ACTUADOR 3. RESORTE 4. ASIENTO 5. PISTÓN PILOTO 6. RESORTE PILOTO 7. TORNILLO DE AJUSTE DE ÉMBOLO 8. TORNILLO DE AJUSTE 9. CONTRATUERCA DE TORNILLO DE AJUSTE 10. INTERRUPTOR FIN DE CARRERA

Fig. : Presostato electro-hidráulico .

Interruptor de presión o presóstato

A menudo cuando una presión medida alcanza cierto máximo o un valor mínimo, es deseable que una alarma haga sonar una advertencia, una luz para dar una señal, o que active un sistema de control auxiliar para energizarse o de desenergizarse. Un interruptor de presión o presóstato es el dispositivo de uso general con este fin.

Uno de los interruptores de presión más simples es el de tipo unipolar con una posición y disparo rápido ( single-pole, single-throw, quick-acting) , como se ve en la figura adjunta. Este interruptor está contenido en una caja de metal que tenga una cubierta extraíble, una conexión eléctrica, y una conexión de medición de presión. El interruptor contiene fuelles metálicos sin costura situados en su cubierta. Los cambios en la presión medida hacen que los fuelles trabajen contra un resorte ajustable. Éste resorte determina la presión requerida para accionar el interruptor. A través de un acoplamiento conveniente, el resorte hace los contactos abran o cierren el circuito eléctrico automáticamente cuando la presión de funcionamiento baja, o se eleva por encima de un valor especificado. Un imán

permanente en el mecanismo del interruptor proporciona un broche de presión positivo tanto en la apertura y como el cierre de los contactos. El interruptor se encuentra energizado constantemente. Sin embargo, es el cierre de los contactos que energiza el circuito eléctrico entero.

Otro interruptor de presión es un conjunto hidráulico eléctrico que se utiliza para desconectar el motor de la bomba siempre que la presión de sistema exceda un valor máximo predeterminado (ver figura). El interruptor se monta en la cubierta de la bomba de modo que los puertos de presión baja anteriores drenen directamente en la cubierta de la bomba.

Este interruptor de presión consiste principalmente en una válvula hidráulica fijada por brida, a la cual se fije un interruptor de límite eléctrico normalmente cerrado.

La válvula consiste en dos componentes hidráulicamente interconectados, el subconjunto de la válvula piloto, que va roscado en la parte inferior del cuerpo (l), funciona para detectar la presión de sistema continuamente e inicia la acción del interruptor de presión siempre que esta presión exceda el valor de consigna ajustado en el piloto. La presión de sistema es dirigida dentro del puerto inferior y aplicada contra la extremidad expuesta del pistón piloto (5). Este pistón es sostenido en su asiento por la compresión del resorte del pistón (6) que es dependiente de la posición del tornillo de reglaje (8). Siempre que la presión haga una fuerza suficientemente grande para levantar el pistón piloto de su asiento, el fluido se desplaza a través

de un paso de interconexión al compartimiento del pistón de impulsión (2). La fuerza fluida resultante levanta el pistón de impulsión contra la fuerza del resorte (3) y causa la depresión del émbolo interruptor extendido. Esto, a la vez, desconecta el interruptor eléctrico contenido, que se puede conectar en el sistema de suministro eléctrico del motor de la bomba.

Los interruptores de presión vienen en muchos tamaños y configuraciones dependiendo de cómo serán utilizados.

Los medidores 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. Por ejemplo, en el caso de emplear un vacuómetro para el mantenimiento de una presión absoluta de 50 mm de mercurio en una columna de destilación, el punto de consigna sería de 710 mm, con una presión atmosférica de 760 mm. Si la presión atmosférica cambiase a 775 mm el vacuómetro indicaría: 710 + 15 = 725 mm con lo cual la presión absoluta enla columna sería controlada a 50 + 15 = 65 mm, es decir, a un 30 % más de la deseada.

Manómetro de Pistón

Este manómetro consiste de un pistón conectado a la presión del sistema, un resorte desbalanceador, una aguja y una carátula calibrada en unidades apropiadas, PSI o Kpa.

Conforme la presión se eleva en un sistema, el pistón se mueve por esta presión, la que actúa en contra de la fuerza del resorte desbalanceador. Este movimiento ocasiona que la aguja indique en la escala la presión apropiada.

Manómetro de diafragma

Este manómetro posee una lámina ondulada o diafragma que transmite la deformación producida por las variaciones de presión

Manómetro de Fuelle

Este manómetro utiliza como elemento elástico un fuelle de tipo metálico el cual al recibir la fuerza proveniente del líquido, tiende a estirarse, con lo cual transmite a la aguja el movimiento para indicar en la carátula el valor de presión.

Vacuómetro

Los manómetros, como hemos visto, marcan presiones superiores a la atmosférica, que son las empleadas en hidráulica, pero también es necesario medir presiones inferiores a la atmosférica por ejemplo, a la entrada de la bomba donde la presión es inferior a la atmosférica y la depresión debe ser mínima. Los aparatos que

miden este vacío se llaman vacuómetros. Están calibrados en milímetro de mercurio. 30 pulgadas de mercurio (Hg) = 760 mm de Hg. 30 pulgadas de mercurio es el vacío perfecto.

Práctica de laboratorio o de taller . Determinación de la curva de calibración de un manómetro de Bourdón.

La esencia primordial de este informe es dar a conocer uno de los instrumentos más importante que interfieren en la medición de condiciones específicas de diferentes procesos; El manómetro.

En esta experiencia se usó el manómetro de Bourdon. Este manómetro está formado por un tubo “aplanado” y que tiene un forma de “C”, puede resistir grandes presiones y además es el más usado.

Pero el problema que origina este laboratorio es la determinación de la curva de calibración del manómetro, ya que este manómetro está descalibrado y habrá que determinar si es posible calibrarlo.

Mediante mediciones de presiones manométricas (mediciones tomadas en el manómetro) siendo originadas por presiones reales (presiones originadas por pesas normalizadas) se determinan posteriormente la gráfica de calibración del manómetro de Bourdon.

En una de las gráfica, fue añadida una línea continua que representa una trasformación de unidades de [Psi] a [Psi], para que de esta forma se pueda hacer una comparación entre lo que se espera y los resultados obtenidos.

INTRODUCCIÓN

Junto con la temperatura, la presión es la variable más comúnmente medida en plantas de proceso. Su persistencia se debe, entre otras razones, a que la presión pude reflejar la fuerza motriz para la reacción o transferencia de fase de gases; la fuerza motriz para el transporte de gases o líquidos; la cantidad másica de un gas en un volumen determinado; etc. Debido a este concepto es necesario conocer el manómetro de Bourdon, cuyo medidor de presión industrial es usado tanto a presiones como a vacíos. El cual se dará a conocer en el presente informe. Para ello realizamos una parte teórica y practica la cual va a consistir en la calibración del manómetro de Bourdon, en cual utilizaremos un calibrador de manómetro y el manómetro de Bourdon.

PRESION

Presión es la fuerza ejercida por unidad de área en forma perpendicular y se expresa en N/m2 en el sistema internacional, esta definición se muestra en la ecuación (1) y es aplicable para la presión en sólidos (esfuerzo), líquidos (presión hidráulica) y gases (presión neumática).

(1)

Para el caso de una columna vertical de fluido líquido o gas, aplica la definición expresada en la ecuación (2), esta ecuación es la que rige a los manómetros de columna de líquido, punto de interés en este documento.

(2)

La ecuación (3) mejor conocida como la ley de los gases, expresa la presión absoluta ejercida por un gas en un recipiente hermético a cierta temperatura,

(3)

esta ecuación es útil para determinar la diferencia de presión generada por la columna del gas utilizado para la presurización, columna de gas que se tiene cuando existe una diferencia de altura entre el nivel de referencia de la columna de líquido (menisco inferior) y el punto de interés (calibrando).

MEDIDA DE LA PRESIÓN

Para la medida de la presión se utilizan los barómetros y los manómetros. Los barómetros miden presión absoluta, respecto al vacío, mientras que los manómetros miden una presión relativa, diferencial, o presión manométrica, generalmente una sobrepresión (o depresión) respecto de la presión atmosférica. Normalmente se llaman barómetros a los instrumentos que miden la presión atmosférica.

 

MANÓMETRO DE BOURDON

Los tubos de Bourdon son tubos curvados en forma circular de sección oval. La presión a medir actúa sobre la cara interior del tubo, con lo que la sección oval se aproxima a la forma circular. Mediante el acodamiento del tubo de Bourdon se producen tensiones en el borde que flexionan el tubo. El extremo del tubo sin tensar ejecuta un movimiento que representa una medida de la presión el cual se traslada a una aguja indicadora.

Para presiones hasta 40 bar se utilizan en general tubos curvados de forma circular con un ángulo de torsión de 270°, para presiones superiores, tubos con varias vueltas en forma de tornillo.

Los tubos de Bourdon tienen una fuerza de retorno relativamente baja. Por ello, debe tenerse en cuenta su influencia en la indicación, en los equipos adicionales como por ejemplo indicadores de seguimiento, transmisores de señal límite o potenciómetros de control remoto. Los órganos de medición de tubo de Bourdon solamente pueden protegerse contra sobrecarga de manera limitada mediante el apoyo del órgano medidor con un valor

límite de presión.

Para cualquier tipo de carga, la relación entre la carga y la deformación es una constante del material, conocida como el módulo de Young: E=Carga/e. Por ende, si la constante de deformación es conocida, se puede obtener la carga según:

Carga = E*e

De modo que frente a deformaciones pequeñas de materiales elásticos, será posible obtener una cuantificación reproducible de las cargas (fuerzas) solicitantes.

El manómetro de Bourdon depende, precisamente, de la elasticidad de los materiales utilizados en su construcción. Este manómetro, tal vez el más común en plantas de procesos que requieran medición de presiones.

DESARROLLO EXPERIMENTAL

En la experiencia se desarrolló la calibración de un manómetro de Bourdon, mediante un instrumento en el que se agregan pesos equivalente a ciertas presiones que ya están determinadas (ver figura 1).

 

Estas pesas se colocan en un cilindro hidráulico y con un juego de válvula (válvula principal) se regula de tal forma que la marca del cilindro quede en la marca de referencia, de esa forma la presión marcada por las pesas, se muestra en el manómetro (ver detalle en la figura 2).

Las válvulas reguladoras se encargan de regular la válvula principal. Si la válvula principal se abre mucho (llega a su tope), entonces una de ella se encarga de cortar el paso del aceite del cilindro hidráulico (del que viene de la válvula principal) y la otra se encarga de dar el paso al aceite que viene del manómetro a la válvula principal, con esto, la válvula se puede cerrar, luego se le cambia el orden de apertura de las válvulas reguladoras y el proceso para la toma de muestra continúa.

Las pesas calibradas están determinadas en 50 o en 100 [Psi]. Supuestamente, al colocar una pesa en el cilindro hidráulico, el manómetro debe marcar la cantidad agregada, si así fuera, entonces el manómetro está calibrado. El manómetro puede estar graduado en otras unidades.

También deben tomarse las siguientes determinaciones:

  Asegurarse de que no haya burbujas  de aire en las cañerías del calibrador.

  Incremente pesos sobre él embolo el cual ejerce una presión al sistema, y vaya anotando las presiones obtenidas.

3. Cuando se haya alcanzado la máxima presión, repita el procedimiento removiendo los pesos y anotando nuevamente las presiones obtenidas.

EXPOSICION DE LOS RESULTADOS

Para efectuar el laboratorio se procedió a agregarle las pesas de 50 en 50 [Psi] hasta llegar a completar las mediciones tomadas en el manómetro (carga). Se efectuó la misma operación pero esta vez se le fueron quitando los pesos (descarga).

Con este procedimiento se tomaron los siguientes datos resumidos en la tabla:

CARGA DESCARGA

Peso (psi)Presión (Kgf/cm2) Presión (psi) Peso (psi) Presión (Kgf/cm2) Presión (psi)

50 7,5 106,7279768 800 57 810,72183

100 9,2 130,9196515 750 53 753,82907

150 13,1 186,4181994 700 50 711,1595

200 16,1 229,1093901 650 46 654,26674

250 20 284,607938 600 42,5 604,485575

300 23,1 328,7221684 550 40 568,9276

350 26,8 381,374637 500 36,5 519,146435

400 30 426,9119074 450 33,5 476,476865

450 33,5 476,7182962 400 30 426,6957

500 37,1 527,9477251 350 26 369,80294

550 40,5 576,3310745 300 23 327,13337

600 44 626,1374464 250 19,5 277,352205

650 47,3 673,0977735 200 17 241,79423

700 51 725,750242 150 13 184,90147

750 55 782,6718296 100 9,5 135,120305

800 58,5 832,4782188 50 6 85,33914Con estos datos se realizó la gráfica de las presiones reales (las pesas normalizadas) y las presiones manométricas (la medida del manómetro de Bourdon).

En la gráfica, las unidades [Kgf/cm2] tomadas con el manómetro, se transformaron en [Psi], aún así, la gráfica es la misma (en su forma) si se hubiera mezclado las unidades.

La calibración del manómetro de bourdon realizada en la experiencia, nos da a conocer que con los datos obtenidos al realizar la carga sobre el embolo la presión obtenida es mas exacta tomando en cuenta una línea recta, con respecto a la presión que se toma en la descarga.

La descarga sufre una pequeña variación debido a que pudo a ver sido producido por el operante al efectuar la medición.

CONCLUSIÓN

Al concluir el presente informe pudimos comprender el funcionamiento de un manómetro de bourdon, para llegar a esto fue necesario dar a conocer un concepto fundamental en la mecánica de fluidos, refiriéndonos a la presión cuya definición dice que llamamos presión a la fuerza que se ejerce sobre la unidad de área, siempre que la fuerza sea perpendicular a la superficie. Otra pregunta que fue necesario contestar como medimos la presión? Para ello se dio a conocer los conceptos de barómetros y los manómetros. Los barómetros miden presión absoluta, respecto al vacío, mientras que los manómetros miden una presión relativa, diferencial, o presión manométrica.

Después de haber conocido aquellos conceptos fundamentales nos referimos al manómetro de Bourdon el cual es un elemento de medida de presión industrial, que es usado cuando el máximo requerido sobrepasa 25 lb/pul2 para medir presiones y vacíos combinados, para mediciones de presión mas directa o cuando se producen fluctuaciones de presión repentinas. En la parte experimental se realizo la calibración de un manómetro de Bourdon, cuya experiencia consistió en agregar peso a un sistema, en el cual se va midiendo la presión, terminando este proceso se vuelve a realizar pero ahora descargando el sistema, cuya presión es medida.

Al determinar la gráfica de calibración del manómetro, se puede determinar algunas conclusiones o importantes puntos observados:

 

        - Este manómetro puede ser calibrado de alguna forma, ya que su diferencia mayor se encuentra para bajas presiones.

    - Este manómetro al parecer fue sometido a altas presiones (mayores de la que puede soportar), debido al siguiente razonamiento: El manómetro de Bourdon es un tubo “aplanado” en forma de “C” y que debido a la interacción de presión en aquel tubo, este tiende a enderezarse, pero, al colocarlo en una línea de alta presión (por ejemplo), esta “C” hecha de algún tipo específico de material, se deformó plásticamente en algún porcentaje, y este porcentaje afecta a la “C”, concluyendo que necesita más presión para seguirse deformando. Por lo tanto las presiones pequeñas no van a ser percibidas por el manómetro, sólo, a medida que aumenta la presión (aproximadamente a 650 [Psi] real) se puede encontrar que esta tiende a ser muy precisa respecto a la línea normal de presión. (UNIVERSIDAD DE ANTOFAGASTA)

 

Instrumentación industral. Elementos electromecánicos para la medición de la presión.

Los elementos electromecánicos de presión utilizan un elemento mecánico elástico combinado con un transductor eléctrico que genera la señal eléctrica correspondiente.

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 de presión se clasifican según el principio de funcionamiento en los siguientes tipos:

 

Transmisores electrónicos de equilibrio de fuerzas. Resistivos. Magnéticos Capacitivos. Extensométricos. Piezoeléctricos.

 

Transmisores electrónicos de equilibrio de fuerzas

En la figura 1 está representado un transmisor electrónico de este tipo . En este instrumento el elemento mecánico de medición (tubo Bourdon, espiral, fuelle ...) ejerce una fuerza sobre una barra rígida del transmisor.

 

Fig. 1 - Transmisor electrónico de equilibrio de fuerzas.

Para cada valor de la presión, la barra adopta una posición determinada excitándose un transductor de desplazamiento tal como un detector de inductancia, un transformador diferencial o bien un detector fotoeléctrico. Un circuito oscilador asociado con cualquiera de estos detectores alimenta una unidad magnética y la fuerza generada reposiciona la barra de equilibrio de fuerzas. Se completa así un circuito de realimentación variando la corriente de salida en forma proporcional al intervalo de presiones del proceso.

En el transmisor de equilibrio de fuerzas con detector fotoeléctrico (fig. 4 c), la barra rígida tiene en su extremo una ventanilla ranurada que interrumpe total o parcialmente un rayo de luz que incide en una célula fotoeléctrica de dos elementos.

Esta célula forma parte de un circuito de puente de Wheatstone autoequilibrado y, por lo tanto, cualquier variación de presión que cambie la barra de posición, moverá la ventana ranurada y desequilibrará el puente. La señal diferencial que se produce en los dos elementos de la célula es amplificada y excita un servomotor. Éste, al girar, atornilla una varilla roscada la cual comprime un resorte de realimentación que a su vez aprieta la barra de equilibrio de fuerzas con una fuerza tal que compensa la fuerza desarrollada por el elemento de presión.

De este modo, el sistema

se estabiliza en una nueva posición de equilibrio.

 

Este transmisor dispone de un contador óptico-mecánico acoplado al servomotor que señala los valores de presión en una pantalla exterior.

Los transductores electrónicos de equilibrio de fuerzas se caracterizan por tener un movimiento muy pequeño de la barra de equilibrio, poseen realimentación, una elasticidad muy buena y un nivel alto en la señal de salida. Por su constitución mecánica presentan un ajuste del cero y del alcance (span) complicado y una alta sensibilidad a vibraciones y su estabilidad en el tiempo es de media a pobre.

Su intervalo de medida corresponde al del elemento mecánico que utilizan (tubo Bourdon, espiral, fuelle, diafragma...) y su precisión es del orden de 0,5-1 %.

 

Transductores resistivos

Fig. 2 - Transductor resistivo

Constituyen, sin duda, uno de los transmisores eléctricos más sencillos. Consisten en un elemento elástico (tubo Bourdon o cápsula) que varía la resistencia óhmica de un potenciómetro en función de la presión. El potenciómetro puede adoptar la forma de un solo hilo continuo o bien estar arrollado a una bobina siguiendo un valor lineal o no de resistencia. Existen varios tipos de potenciómetros según sea el elemento de resistencia: potenciómetros de grafito, de resistencia bobinada, de película metálica y de plástico moldeado. En la figura 2 puede verse un transductor resistivo representativo que consta de un muelle de referencia, el elemento de presión y un potenciómetro de precisión. El muelle de referencia es el corazón del transductor ya que su desviación al comprimirse debe ser únicamente una función de la presión y además debe ser independiente de la temperatura, de la aceleración y de otros factores ambientes externos.

 

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 transductores resistivos son simples y su señal de salida es bastante potente como para proporcionar una corriente de salida suficiente para el funcionamiento de los instrumentos de indicación sin necesidad de amplificación. Sin embargo, son insensibles a pequeños movimientos del contacto del cursor, muy sensibles a vibraciones y presentan una estabilidad pobre en el tiempo.

El intervalo de medida de estos transmisores corresponde al elemento de presión que utilizan (tubo Bourdon, fuelle ...) y varía en general de 0-0,1 a 0-300 kg/cm2 • La precisión es del orden de 1-2 %.

 

Transductores magnéticos

Se clasifican en dos grupos según el principio de funcionamiento.

a) Transductores de inductancia variable (fig. 3) en los que el desplazamiento de un núcleo móvil dentro de una bobina aumenta la inductancia de ésta en forma casi proporcional a la porción metálica del núcleo contenida dentro de la bobina.

Fig. 3- Transductor de industancia variable

El devanado de la bobina se alimenta con una corriente alterna y la f.e.m. de autoinducción generada se opone a la f.e.m. de alimentación, de tal modo que al ir penetrando el núcleo móvil dentro de la bobina la corriente presente en el circuito se va reduciendo por aumentar la f.e.m. de autoinducción.

El transformador diferencial estudiado en los transmisores electrónicos de equilibrio de fuerzas es también un transductor de inductancia variable, si bien, en lugar de considerar una sola bobina con un núcleo móvil, se trata de tres bobinas en las que la bobina central o primaria es alimentada con una corriente alterna y el flujo magnético generado induce tensiones en las otras dos bobinas, con la particularidad de que si el núcleo está en el centro, las dos tensiones son iguales y opuestas y si se desplaza a la derecha o a la izquierda, las tensiones son distintas.

Es decir, que el transformador diferencial es más bien un aparato de relación de inductancias.

Los transductores de inductancia variable tienen las siguientes ventajas: no producen rozamiento en la medición, tienen una respuesta lineal, son pequeños y de construcción robusta y no precisan ajustes críticos en el montaje. Su precisión es del orden de + 1 %.

 

Fig. 4 - Transductor de reluctancia variable

b) Los transductores de reluctancia variable (fig. 4) consisten en un imán permanente o un electroimán que crea un campo magnético dentro del cual se mueve una armadura de material magnético.

El circuito magnético se alimenta con una fuerza magnetomotriz constante con lo cual al cambiar la posición de la armadura varía la reluctancia y por lo tanto 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.

El movimiento de la armadura es pequeño (del orden de un grado como máximo en armaduras giratorias) sin contacto alguno con las partes fijas, por lo cual no existen rozamientos eliminándose la histéresis mecánica típica de otros instrumentos. Los transductores de reluctancia variable presentan una alta sensibilidad a las vibraciones, una estabilidad media en el tiempo y son sensibles a la temperatura. Su precisión es del orden de + 0,5 %.

Ambos tipos de transductores posicionan el núcleo o la armadura móviles con un elemento de presión (tubo Bourdon, espiral...) y utilizan circuitos eléctricos bobinados de puente de inductancias de corriente alterna.

  

 

Transductores 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 (fig. 5). 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 transductores capacitivos se caracterizan por su pequeño tamaño y su construcción robusta, tienen un pequeño desplazamiento volumétrico y son adecuados para medidas estáticas y dinámicas. Su señal de salida es débil por lo que precisan de amplificadores con el riesgo de introducir errores en la medición. Son sensibles a las variaciones de temperatura y a las aceleraciones transversales y precisan de un ajuste de los circuitos oscilantes y de los puentes de c.a. a los que están

Fig. 5 - Transductor capacitivo

acoplados.

Su intervalo de medida es relativamente amplio, entre 0,05-5 a 0,5-600 bar y su precisión es del orden de ± 0,2 a ± 0,5 %.

Galgas extensométricas (strain gage)

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 tipos de galgas extensométricas: galgas cementadas (fig. 6) formadas por varios bucles de hilo muy fino que están pegados a una hoja base de cerámica, papel o plástico, y galgas sin cementar en las que los hilos de resistencia descansan entre un annazón fijo y otro móvil bajo una ligera tensión inicial.

Fig. 6 - Galga cementada

Fig. 7 - Galga sin cementar

 

En ambos tipos de galgas, la aplicación de presión estira o comprime los hilos según sea la disposición que el fabricante haya adoptado, modificando pues la resistencia de los mismos.

La galga forma parte de un puente de Wheatstone (fig. 8) y cuando está sin tensión tiene una resistencia eléctrica determinada. Se aplica al circuito una tensión, nominal tal que la pequeña corriente que circula por la resistencia crea una caída de tensión en la misma y el puente se equilibra para estas condiciones.

 

Fig.8 - Puente de Wheatstone para galga extensiométrica

Cualquier variación de presión que mueva el diafragma del transductor cambia la resistencia de la galga y desequilibra el puente.

El intervalo de medida de estos transductores varía de 0-0,6 a 0-10 000 bar y su precisión es del orden de ± 0,5 %

Una innovación de la galga extensométrica la constituyen los transductores de presión de silicio difundido. Consisten en un elemento de silicio situado dentro de una cámara conteniendo silicona que está en contacto con el proceso a través de un diafragma flexible. El sensor está fabricado a partir de un monocristal de silicio en cuyo seno se difunde boro para formar varios puentes de Wheatstone constituyendo así una galga extensométrica autocontenida. El espesor del sensor determina el intervalo de medida del instrumento.

El sensor con su puente Wheatstone incorporado forma parte del circuito de la figura 9. Cuando no hay presión, las tensiones E1 y E2 son iguales y, al aplicar la presión del proceso Rb y Rc disminuyen su resistencia y Ra y Rd la aumentan dando lugar a caídas de tensión distintas y a una diferencia entre E1 y E2 . Esta diferencia se aplica a un amplificador diferencial de alta ganancia que controla un regulador de corriente variable. Un margen de corriente continua de 3 a 19 mA con 1 mA del puente produce una señal de salida de 4 a 20 mA c.c.

Esta corriente circula a través de la resistencia de realimentación Rfb y produce una caída de tensión que equilibra el puente. Como esta caída es proporcional a Rfb esta resistencia fija el intervalo de medida (span) del transductor. El cero del instrumento se varía intercalando resistencias fijas en el brazo izquierdo del puente (cero basto) y un potenciómetro en el brazo derecho (cero fino).

 

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La adición de un microprocesador permite añadir «inteligencia» al instrumento al hacer posible funciones adicionales, tales como la compensación de temperatura ambiente, proporcionando un aumento de la precisión de la medida, : en particular si la señal de salida del instrumento es enteramente digital en lugar de la analógica de 4 - 20 mA c.c.

Fig. 9 - Transductor de presión de silicio difundido.

 

El intervalo de medida de los transductores de silicio difundido varía de 0-2 a 0-600 bar, con una precisión del orden de ± 0,2 %.

Las galgas extensométricas pueden alimentarse con c.c. o c.a. Tienen una respuesta frecuencial excelente y pueden utilizarse en medidas estáticas y dinámicas.

Presentan una compensación de temperatura relativamente fácil y generalmente no son influidas por campos magnéticos. Con excepción de las galgas de silicio difundido poseen las siguientes desventajas: señal de salida débil, pequeño movimiento de la galga, alta sensibilidad a vibraciones y estabilidad dudosa a lo largo del tiempo de funcionamiento. La galga de silicio difundido tiene la ventaja adicional de estar en contacto directo con el proceso sin mecanismos intermedios de medición de la presión pudiendo así trabajar correctamente aunque el fluido se deposite parcialmente sobre el diafragma del elemento ya que mide directamente la presión del fluido y no la fuerza que éste hace sobre el diafragma.

 

Transductores piezoeléctricos

Los elementos piezoeléctricos (fig. 10) 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 titanato de bario, capaces de soportar temperaturas del orden de 150° C en servicio continuo y de 230° C en servicio intermitente.

Fig. 10 - Transductor piezoeléctrico

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.

  

Elementos electrónicos de vacío

Los transductores electrónicos de vacío se emplean para la medida de alto vacío, son muy sensibles y se clasifican en los siguientes tipos:

  Mecánicos:

 

  Fuelle y

  diafragma

 Medidor McLeod

Térmicos:  

  Termopar

  Pirani

  Bimetal

Ionización:  

 Filamento caliente

  Cátodo frío

  Radiación

  

Transductores mecánicos de fuelle y de diafragma

Trabajan en forma diferencial entre la presión atmosférica y la del proceso. Pueden estar compensados con relación a la presión atmosférica y calibrados en unidades absolutas. Al ser dispositivos mecánicos, las fuerzas disponibles a presiones del gas muy bajas son tan pequeñas que estos instrumentos no son adecuados para la medida de alto vacío estando limitados a valores de 1 mm Hg abs. Pueden llevar acoplados transductores eléctricos del tipo de galga extensométrica o capacitivos.

 

Medidor McLeod

Se utiliza como aparato de precisión en la calibración de los restantes instrumentos.

Se basa en comprimir una muestra del gas de gran volumen conocido a un volumen más pequeño y a mayor presión mediante una columna de mercurio en un tubo capilar.

La presión del gas se deduce aplicando la ley de Boyle-Mariotte. Su intervalo de medida es de 5.10-5 mm Hg.

 

TABLA - Transductores electromecánicos

Transductores térmicos

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 absolutas.

Fig.11 - Transductor térmico de termopar.

El transductor térmico de termopar contiene un filamento en V que lleva incorporado un pequeño termopar (fig. 11). Al pasar una corriente constante a través del filamento, su temperatura es inversamente proporcional a la presión absoluta del gas. La f.e.m. generada por el termopar indica la temperatura del filamento y por lo tanto señala el vacío del ambiente. Para compensar la temperatura ambiente se emplea una segunda unidad contenida dentro de un tubo sellado al vacío. La señal de salida diferencial de los dos termopares es proporcional a la presión.

Las ventajas principales de este tipo de transductor

residen en su bajo coste, larga duración y confiabilidad. Tiene el inconveniente de ser sensible a la composición del gas, poseer características no lineales y presentar el riesgo de combustión si se expone a presión atmosférica cuando el filamento está caliente. Su intervalo de medida es de 0,5.10-3 mm Hg.

Fig. 12 - Transductor Pirani.

El transductor Pirani (fig. 12) utiliza un circuito de puente de Wheatstone que compara las resistencias de dos filamento de tungsteno, uno sellado en alto vacío en un tubo y el otro en contacto con el gas medido y que por lo tanto pierde calor por conducción. En este transductor es la resistencia del filamento la que refleja la presión en lugar de ser su temperatura.

El transductor Pirani tiene la ventaja de ser compacto y sencillo de funcionamiento, pudiendo estar a presión atmosférica sin peligro de combustión. Tiene el inconveniente de que su calibración depende de la composición del gas medido y de ser altamente no lineal. Su intervalo de medida es de 2.10-3 mm Hg.

Fig. 13 - Transductor bimetálico.

El transductor bimetálico (fig. 13 ) utiliza una espiral bimetálica calentada por una fuente de tensión estabilizada. Cualquier cambio en la presión produce una deflexión de la espiral, que a su vez está acoplada a un índice que señala en la escala el vacío. Su intervalo de medida es de 1.10-3 mm Hg.

  

Transductores de ionización

Se basan en la formación de los iones que se producen en las colisiones que existen entre moléculas y electrones (o bien partículas alfa en el tipo de radiación). La velocidad de formación de estos iones, es decir la corriente iónica, varía directamente con la presión.

Fig. 14 - Transductor de filamento caliente

El transductor de filamento caliente (fig. 14) consiste en un tubo electrónico con un filamento de tungsteno rodeado por una rejilla en forma de bobina, la cual a su vez está envuelta por una placa colectora. Los electrones emitidos por el filamento caliente se aceleran hacia la rejilla positiva, pasan a su través y, en su camino hacia la placa colectora de carga negativa, algunos colisionan con moléculas del gas. La corriente positiva formada es una función del número de iones y, por lo tanto, constituye una medida de la presión del gas. Estos instrumentos son muy delicados y deben manejarse con cuidado. El filamento puede quemarse si se somete accidentalmente a presiones superiores a 1.10-3 mm Hg absolutos.

Estos transductores son muy sensibles y capaces de medir vacíos extremadamente altos. Su señal eléctrica de salida es lineal con la presión. Tienen el inconveniente de ser sensibles a la composición del gas, de tal modo que en ocasiones el filamento caliente provoca cambios significativos en su composición entre el volumen medido y el volumen contenido dentro del tubo electrónico. El intervalo de medida de estos transductores es de 10-3 a 10-11 mm Hg.

TABLA : Transductores electrónicos de vacío

Fig. 15 - Transductor de cátodo frío.

El transductor de cátodo frío (fig. 15) se basa en el principio de la medida de una corriente iónica producida por una descarga de alta tensión. Los electrones desprendidos del cátodo toman un movimiento en espiral al irse moviendo a través de un campo magnético en su camino hacia el ánodo. El movimiento en espiral da lugar a que el camino libre medio entre electrones sea mayor que la distancia entre electrodos. Por consiguiente, aumenta la posibilidad de colisiones con las moléculas del gas presente lo que da lugar a una mayor corriente iónica y de este modo la descarga catódica se mantiene a una presión más baja, o sea a un vacío más alto. Este instrumento no puede vaciarse de gases tan rápidamente como el de filamento-

caliente, pero es más robusto y no presenta el prciblema de la combustión del filamento. Es susceptible de contaminación por el mercurio y puede provocar la descomposición química de vapores orgánicos a altas tensiones.

Su campo de aplicación abarca de 10-2 a 10-7 mm de Hg con una escala logarítmica.