Instrumentacin Industrial Tema 3: Medida de presin

Instrumentacin Industrial Tema 3: Medida de presin

NDICE TEMA 3: Medida de presin.

3.1 Unidades y clases de presin.3.2 Elementos mecnicos.3.3 Elementos electromecnicos.3.4 Elementos electrnicos de vaco.

3.1 Unidades y clases de presin.

La presin se define como la fuerza ejercida por unidad de superficie, pudiendo expresarse en muchas unidades (las ms importantes en la figura 1), comentando que el sistema internacional (S.I.) utiliza el Pascal (Pa=1N/m2), siendo la fuerza aplicada a 1kg, comunicando una aceleracin de 1m/s2.

En la industria se suele hablar de 10MPa=10bar, o bien, 1bar=105Pa=1,02 kg/cm2.

Figura 1: Unidades de presin.

Existen varias clases de presin, tanto absoluta como diferencial, resumidas en la figura 3, que adems tiene un resumen segn los elementos utilizados para la instalacin de este tipo de instrumentos segn los requerimientos.

En la figura 2, se aprecia las diferencias entre definiciones de tipos de presin.

Presin absoluta (Pabs): Relacin desde el 0 absoluto de presin medida (AA). Presin atmosfrica (Patm): Presin ejercida por la atmsfera sobre un punto (760mmHg 14psi). Presin relativa (Prel): Diferencia entre la Pabs y Patm donde se realiza una medicin (BB), siendo despreciable para altas presiones. Presin diferencial (Pdif): Diferencia de presin entre dos puntos cualquiera (CC). Vaco (Pvacio): Diferencia negativa entre Pabs y Patm en mmHg o mmca, necesitndose mxima precisin ya que Patm influye.

Figura 2: Clases de presin.

Figura 3: Instrumentos de presin y campo de aplicacin.

3.2 Elementos mecnicos.

Los elementos primarios de medida directa miden la presin comparndola con la ejercida por un lquido de conocidas (barmetros de cubeta, tubo en U, tubo inclinado, toro pendular y campana).

Los elementos elsticos se deforman con la presin interna del fluido que lo contiene (siendo los ms conocidos el tubo Bourdon, helicoidal, diafragma y fuelle).

Los materiales ms comunes son acero inoxidable, aleacin cobre-niquel, hastelloy y monel.

Tubo Bourdon: seccin elptica, formando un anillo casi completo, cerrado por un extremo, que al aumentar la presin, ste tiende a enderezarse, transmitiendo el movimiento a una aguja indicadora (mediante un sector dentado-pion).

Figura 4: Tubo Bourdon y elemento en espiral.

Elemento en espiral: se forma, enrollando el tubo Bourdon a un eje comn y helicoidal (como una hlice). Proporcionan grandes desplazamientos (registradores).

Diafragma: consiste en varias cpsulas circulares, conectadas rgidamente entre s (por soldadura), de manera que al aplicarle presin. Cada una de ellas se deforman formando pequeos desplazamientos (posteriormente es amplificado por un juego de palancas).

Se proyectan para que al aplicar presin, se aproxime linealmente en un intervalo (lo mayor posible), con una mnima histresis y desviacin permanente en el 0.

Figura 5: Diafragma y fuelle.

Fuelle: similar al diafragma compuesto, pero de una sola pieza que puede dilatarse o contraerse con un desplazamiento considerable.

Todos estos elementos anteriores, miden presiones relativas (Prel).

Los elementos primarios de presin absoluta consisten en un conjunto fuelle-muelle opuesto mediante un sellado de vaco absoluto (el movimiento resultante de esos dos elementos tiene que ser igual a la presin absoluta (Pabs) del fluido medido.

Los materiales utilizados comnmente son el acero inoxidable y latn

Se suelen instalar en aquellos lugares donde la presin atmosfrica (Patm) no haga variar en demasa la medida (debe de existir mucha precisin).

En un vacumetro (para mantener la Pabs) suponemos unos 50mmHg, si suponemos que es 760mmHg, el resultado del punto de consigna es 710mmHg, Si hubiera cambios en la Patm, por ejemplo 775mmHg (habitual), la Pabs variar 50+15=65mmHg (dando un error del 30%).

Figura 6: Manmetro de presin absoluta.

Para casos de fluidos corrosivos, se pueden utilizar materiales especiales o, lo que es ms comn), se utiliza un fluido de sello de diafragma (silicona o glicerina), llenando completamente la conexin del instrumento al proceso (muy viscoso y obtura el elemento).

Si la temperatura de proceso es demasiado alta (medicin de vapor), se emplean sellos volumtricos de diafragma y fuelle con un lquido incompresible para la transmisin de la presin (en caso de escape de lquido, queda inutilizado).

Figura 7: Accesorios (lira, amortiguador y sello).

Como nota importante, todos los instrumentos de presin, deben de estar aisladas con una vlvula de cierre para su desmontaje en el proceso (en continuo). Si la presin de proceso en mayor que 25bar, se instalar una vlvula de alivio (para evitar un percance).

En casos de alta temperatura (como la medida de presin de vapor) lo ms barato es utilizar una lira pigtail para enfriarlo y condensarlo. En caso que no condense, basta con una longitud lo suficientemente larga para enfriarlo, recordando que en longitudes mayores a 25 metros se suelen usar transmisores.

El recorrido de la tubera ser hacia arriba si el fluido es gas (condensaciones o vapores) y hacia abajo si es lquido (eliminacin de burbujas de aire).

Si la temperatura del proceso es superior a los lmites tolerados por el instrumento, se toma una longitud suficiente (sin tracear). Suele instalarse unas tuberas de 75-100cm con =1/2. Puede bajar desde 500C hasta 100C.

Los tubos capilares deben de instalarse (aislados de cualquier fuente de calor) y protegidos mecnicamente.

Siempre se debe de comprobar el error debido a la columna hidrosttica entre la toma de proceso y el instrumento (correccin del cero por supresin o elevacin).

En caso de existencia de vibraciones, a causa de tuberas cercanas, bombas, dosificadoras, etc. se prevn manmetros con amortiguadores o con un diseo para tal fin (en algunos casos la glicerina puede cumplir esta funcin).

Los instrumentos de medicin de presin siempre se instalarn despus de la limpieza de tuberas (flushing) y las pruebas hidrostticas.

Figura 8: Elementos mecnicos de presin.

3.3 Elementos electromecnicos.

Este tipo, combina un elemento mecnico con un transductor elctrico (que genera una seal), siendo explicada anteriormente. Los tipos existentes son los siguientes:

1) Resistivos: estn constituidos por un elemento elstico (Bourdon o cpsula) que hace variar la resistencia () de un potencimetro (con 1 hilo continuo o arrollado a una bobina de variacin lineal).

Figura 9: Elemento resistivo.

Al fin y al cabo se conecta un brazo mvil aislado a un circuito con configuracin puente de Wheatstone.

2) Inductancia variable (magntico): estn constituidos por un transformador diferencial variable lineal (LVDT), que proporcionan una seal en corriente alterna (c.a.) proporcional al movimiento de una armadura fabricada con material magntico (imn-bobina), creando as un campo magntico que es fcilmente medible.

Figura 10: Transductor de inductancia variable con transformador LVDT.

Al fin y al cabo, al cambiar la posicin de la armadura, vara el flujo magntico y a su vez, de ella sale una variacin de la corriente inducida proporcional al desplazamiento.

3) Reluctancia variable (magntico): estos se basan en el desplazamiento mecnico de un ncleo magntico entre 2 bobinas conectados mediante un puente de corriente alterna (c.a.) siendo proporcional el incremento de tensin con el de presin V-p, conectado a un puente de tensin alterna de 1-10kHz.

Figura 11: Transductor de reluctancia variable.

Por lo que una variacin de la reluctancia (parmetro magntico) produce una modulacin de inductancia efectiva (que va en funcin de la presin).

4) Capacitiva: se trata de detectar la variacin de capacidad en un condensador al desplazarse una de sus placas por la aplicacin de presin, ya sea en forma de diafragma con en dos placas fijas.

Figura 12: Transductor capacitivo.

Se suele tener una de las placas fijas (como referencia) y otra variable, para que se puedan comparar en circuitos oscilantes, o bien por puente de Wheatstone (c.a.).

5) Galgas extensiomtricas: se basan en la medicin de una variacin de longitud (L), dimetro (), para la medicin de una resistencia (), Existiendo dos tipos:

Cementadas: consiste en varios bucles de hilo fino pegados a una hoja de base cermica, papel o plstico, doblndose ms o menos.

No cementadas: consiste en 2 hilos que descansan en un armazn fijo y otro mvil, estirndose y comprimindose.

Figura 13: Galgas extensiomtricas.

Como ventaja, podemos decir que disponen de una respuesta en frecuencia excelente y pueden utilizarse en medidas estticas y dinmicas, los campos magnticos no le influyen.

Por el contrario, son muy dbiles ante vibraciones y su seal de salida es muy baja.

6) Elementos de silicio fundido: son otra tipologa, que suele alojarse en una cmara de silicona o en un diafragme flexible. Suele estar fabricado en monocristal de silicio y dopado de boro, contando con varios puentes de Wheatstone. Adems, se suele montar donde no exista contacto con agentes exteriores (para ganar en robustez).

7) Piezoelctricos: estn fabricados a partir de materiales cristalinos que al deformarse fsicamente (en este caso por presin), generan un potencial elctrico (siendo los materiales ms utilizados el cuarzo y el titanato de bario, que es capaz de soportar temperaturas de 150C (permanente) y 230C (intermitentemente).

Como ventajas tenemos un pequeo tamao, robustez y una seal muy lineal, adecuado para medidas dinmicas (1 milln de ciclos por segundo).

8) Pelcula delgada: pertenecen al grupo de sensores piezorresistivos, utilizado para presiones superiores a 25bar (disponiendo de membrana para cubrir la capa resistiva, cuyo valor va variando). Normalmente, si la membrana es de acero inoxidable, tendr una capa de SiO2 de unos 4-6mm, que mediante un proceso fotoltogrfico se cauterizan las bandas extensiomtricas, depositndose unas sobre otras (como nota, decir que la deformacin de estas membranas se cuentan en micras).

Figura 14: Elemento piezoelctrico.

Figura 15: Caractersticas generales de elementos electromecnicos.

3.4 Elementos electrnicos de vaco.

Estos elementos se clasifican en calibradores (medidor McLeod), mecnicos (tubo Bourdon, fuelle y diafragma), por propiedad de gases o conductividad trmica, trmicos (termopar, Pirani o bimetlico) y por ionizacin (filamentos caliente-fro).

1) Calibrador McLeod: es un aparato primario (para calibrar equipos), que se basa en comprimir una muestra de gas de volumen conocido a un volumen menor mediante una Columba de mercurio alojado en un tubo capilar de volumen y densidad conocidas, cosa que se puede deducir con las ecuaciones de Boyle-Mariotte.

Su intervalo va desde 1-10-4mmHg, de manera que no puede ser utilizada para vapores, debido a que su presin es muy baja.

Figura 16: Rangos de trabajo de elementos electrnicos de vaco.

2) Bourdon: se combina la medida de presin y vaco con la escala dividida en 2 partes (en la figura 17, el de la izquierda) por cmHg y psiHg y (en la derecha), otra en kg/cm2 (bar) y psi.

Figura 17: Tubo Bourdon y medidor de capacitancia en vaco (diafragma).

3) Diafragma y fuelle: trabajan de forma diferencial entre la Patm y la presin de proceso (pudiendo estar compensadas en relacin a la atmosfrica y calibrados en la Pabs).

Al ser un dispositivo mecnico, la fuerza disponible por el gas es nfima y no son apropiadas para medidas de alto vaco, estando limitado a valores de 0,00001mmHgabs.

Pueden estar acoplados a elementos elctricos (tipo galga o capacitiva).4) En propiedad de gases: suelen medir la conductividad trmica o la viscosidad (que varan de forma no lineal con la presin o composicin del gas), por lo que es inexacto. Trabajan entre 100-0,0001 mmHgabs.

5) Trmicos: se basan en la proporcionalidad entre la energa disipada desde la superficie caliente de un filamento caliente, por una corriente constante y la presin del gas ambiente cuando el gas est a bajas presiones absolutas.

Termopar: mide presiones de 10-0,001 mmHgabs. Mediante tensiones generadas en los termopares soldados a un filamento caliente expuesto al gas, hasta que alcanza una temperatura de equilibrio determinada por la extraccin de energa del gas. Por tanto si la presin aumenta, la energa aumenta y a su vez la f.e.m.

Pirani: se basa en 2 filamentos de platino (uno de referencia y otro de medida), acoplados a un puente de Wheatstone. El de referencia tiene un gas conocido a p=cte y la medida ser del gas a valorar.

Las molculas tienen el mismo efecto anterior, slo que cambia el circuito de realimentacin (Wheatstone), con un rango 10-10-5 mmHgabs.

Conveccin: tiene estructura similar a la anterior, pero la conveccin natural de los gases es de dnde se extrae la energa, con rango 10 mmHg a 1 atm.

Figura 18: Transductores trmicos.

6) Ionizacin: se basa en la formacin de iones que se producen en las colisiones que existen entre molculas o partculas , al final lo que cuenta es la variacin de velocidad (V) con respecto a la presin ejercida en el filamento caliente y ctodo fro, con un rango de 10-4-10-9 mmHg.

Figura 19: Elementos de ionizacin.

7) Elementos de ctodo (filamento) caliente: emiten electrones termoinicos a 70eV que ionizan las molculas de gas residual. La corriente al colector suele ser -150V que vara con la densidad del gas (gas) o el nmero de molculas por unidad de volumen en cm3, dependiendo de la presin nicamente.

8) Elementos de ctodo (filamento) fro: se basan en la descarga por un campo magntico que da una trayectoria fcil (aumentando su probabilidad de ionizacin) al gas residual, que puede llegar a tener un rango de 1-10-11 mmHg, aunque su puesta en marcha dura horas (e incluso das).

Figura 19: Analizador de gas residual.

9) Analizadores de gas residual (espectrmetro y detectores de fuga): el primero de ellos suele ser un espectrmetro de masa situado en una cmara de vaco, que suele trabajar a 10-4 mmHg y el segundo detecta slo concentraciones extremadamente pequeas de Helio en presencia con otros gases, captando hasta 10-10 Ncm3/s.

Figura 20: Caractersticas generales de elementos de vaco.Pgina 1