Presión

VARIABLES FÍSICAS. SENSORES INSTRUMENTACIÓN

PRESIÓN

Paolo Castillo Rubio

Ingeniero Civil Electrónico

Julio 2012


PRESIÓN ABSOLUTA• Presión, del latín pressĭo, es un término que refiere a la

acción y efecto de comprimir o apretar. Puede tratarse de laopresión que se aplica sobre algo, de la coacción que seejerce sobre una persona o de la magnitud física medida enpascales que indica la fuerza ejercida por un cuerpo sobreuna unidad de superficie (P = F/S).

• Absoluto, por su parte, es un adjetivo que nombra a aquelloque es ilimitado, independiente, completo o total. Loabsoluto es incondicionado (existe por sí mismo, sinnecesidad de una relación).

• Se conoce como presión absoluta a la presión real que seejerce sobre un punto dado. El concepto está vinculado a lapresión atmosférica y la presión manométrica.


PRESIÓN ATMOSFÉRICA

• La presión atmosférica es el peso ejercido por el aire en

cualquier punto de la atmósfera (la capa de gases que

rodea al planeta). Dicha presión varía en la Tierra de

acuerdo a la altitud: a mayor altitud, menor presión

atmosférica.

• En palabras de Evangelista Torricelli (1608-1647) vivimos

en el fondo de un mar de aire. Sobre cada una de

nuestras cabezas tenemos aproximadamente 2 toneladas

de aire que ejercen una presión de 101.300 N/m2


La presión atmosférica normal equivale a la que ejerce a 0° C y a niveldel mar una columna de mercurio de 76 cm de altura. Ese valor se tomacomo unidad práctica de presión y se denomina atmósfera (atm), o bien760 mm Hg.


PRESIÓN MANOMÉTRICA

• Es la presión relativa que ejerce un fluido (líquido o gas) y

su valor depende de la presión externa.

• La presión manométrica puede tener un valor mayor o

menor que la presión atmosférica.


TIPOS DE PRESIÓNPresión absoluta

se mide con respecto al cero absoluto de presión

Presión atmosférica

es la presión ejercida por la atmósfera terrestre medida mediante un barómetro

Presión relativaes la determinada por un elemento que mide la

diferencia entre la presión absoluta y la atmosférica del lugar donde se efectúa la

medición

Presión diferencial

es la diferencia entre dos presiones

Vacíoes la diferencia de presiones entre la presión

atmosférica existente y la presión absoluta, es decir, es la presión, medida por debajo de la

atmosférica


PRESIÓN HIDROSTÁTICA

• La presión hidrostática es la presión que ejerce el pesode un fluido en reposo. Se trata de la presión que

experimenta un cuerpo por el solo hecho de sumergirse

en un líquido.

• El fluido ejerce una presión sobre el fondo y las paredes

del recipiente y sobre la superficie del objeto sumergido

en él. Dicha presión hidrostática, con el fluido en reposo,

genera una fuerza perpendicular a las paredes del

recipiente o a la superficie del objeto.


PRESIÓN HIDROSTÁTICA

• El peso que ejerce el líquido aumenta a medida que se

incrementa la profundidad. La presión hidrostática es

directamente proporcional al valor de la gravedad, la

densidad del líquido y la profundidad a la que se

encuentra.

• La presión hidrostática (p) puede calcularse a partir de la

multiplicación de la gravedad (g), la densidad (ρρρρ) del

líquido y la profundidad (h).

• En ecuación: p = ρρρρ x g x h.


Conversión de unidades de presión


Densidades


Actividad

1. Calcula la presión que ejerce un cilindro de acero de 2

kg apoyado por una de sus bases que tiene 3 cm de radio.

2. Calcula la presión que ejerce Luis cuando está sobre

sus dos pies suponiendo que cada pie tiene una

superficie de 200 cm2 y que Luis tiene una masa de 70 kg.

3. Una fuerza de 40 N está ejerciendo 60 kPa, calcula la

superficie de apoyo.

4. Calcula de qué tamaño sería la columna del

experimento de Torricelli, si se hiciera con agua o con

gasolina.


Actividad5. Calcula el valor de la presión hidrostática en un puntosituado a 100 m de profundidad en el mar (ρagua demar= 1 030kg/m3).

6. Tenemos una prensa hidráulica. Las superficies de sussecciones son 50 cm2 la del pistón pequeño y 250 cm2 ladel pistón grande. Con ella queremos levantar una masade 400kg

a) ¿Qué fuerza tiene que realizar el operador de laprensa?

b) ¿Dónde debe colocar el objeto de 400 kg?

c) Si la máxima fuerza que puede realizar fuese de 700 N,¿podrá levantar el objeto?


Medición de Presión

Los instrumentos que miden presión se clasifican en

cuatro grupos:

• Mecánicos

• Neumáticos

• Electromecánicos

• Electrónicos


Elementos Mecánicos

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).

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.


Elementos Mecánicos

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.


Tubo de Bourdon


Tubo de Bourdon

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.


Diafragma

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. Se utiliza para pequeñas presiones.


Diafragma


Fuelle

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.


Fuelle


Características elementos mecánicos


Elementos Neumáticos

Como elementos neumáticos consideramos los

instrumentos transmisores neumáticos cuyo elemento de

medida es de presión adecuado al campo de medida

correspondiente. El tipo de transmisor queda establecido

por el campo de medida del elemento.

Es obvio que, por ejemplo, un transmisor de 0-20 kg/cm2

utilizará un transmisor de equilibrio de fuerzas de tubo

Bourdon mientras que uno de 3-15 psi será de equilibrio

de movimientos con elemento de fuelle.


Transmisor de presión


Elementos ElectromecánicosLos elementos electromecánicos de presión utilizan un elementomecánico elástico combinado con un transductor eléctrico que genera laseñal eléctrica correspondiente.

El elemento mecánico consiste en un tubo Bourdon, espiral, hélice,diafragma, fuelle o una combinación de los mismos que, a través de unsistema de palancas convierte la presión en una fuerza o en undesplazamiento mecánico.

Los elementos electromecánicos de presión se clasifican según elprincipio de funcionamiento en los siguientes tipos:

• Transmisores electrónicos de equilibrio de fuerzas

• Resistivos

• Magnéticos

• Capacitivos

• Extensométricos

• Piezoeléctricos


Transmisores electrónicos de equilibrio de fuerzas

En este instrumento el elemento mecánico de medición (tubo

Bourdon, espiral, fuelle ... ) ejerce una fuerza sobre una barra

rígida del transmisor.

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.


Transmisores electrónicos de equilibrio de fuerzas


Transductores resistivos

Constituyen, sin duda, uno de los transmisores eléctricos mássencillos. Consisten en un elemento elástico (tubo Bourdon ocápsula) que varía la resistencia óhmica de un potenciómetro enfunción de la presión. El potenciómetro puede adoptar la forma deun solo hilo continuo o bien estar arrollado a una bobina siguiendoun valor lineal o no de resistencia. Existen varios tipos depotenciómetros según sea el elemento de resistencia:potenciómetros de grafito, de resistencia bobinada, de películametálica y de plástico moldeado.

En la figura puede verse un transductor resistivo representativoque consta de un muelle de referencia, el elemento de presión y unpotenciómetro de precisión. El muelle de referencia es el corazóndel transductor ya que su desviación al comprimirse debe serúnicamente una función de la presión y además debe serindependiente de la temperatura, de la aceleración y de otrosfactores ambientes externos.


Transductores resistivos


Transductores magnéticos

Se clasifican en dos grupos según

el principio de funcionamiento:

a) Transductores de inductancia

variable, 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.


Transductores magnéticos

b) Los transductores de reluctanciavariable, consisten en un imánpermanente o un electroimán quecrea un campo magnético dentro delcual se mueve una armadura dematerial magnético. El circuitomagnético se alimenta con unafuerza magnetomotriz constante conlo cual al cambiar la posición de laarmadura varía la reluctancia y por lotanto el flujo magnético. Estavariación del flujo da lugar a unacorriente inducida en la bobina quees, por tanto, proporcional al gradode desplazamiento de la armaduramóvil.


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. 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.


Galgas extensométricas (strain gage)

Se basan en la variación de longitud y

de diámetro, y por lo tanto deresistencia, que tiene lugar cuandoun hilo de resistencia se encuentrasometido a una tensión mecánica porla acción de una presión.

Existen dos tipos de galgasextensométricas: galgas cementadasformadas por varios bucles de hilomuy fino que están pegados a unahoja base de cerámica, papel oplástico, y galgas sin cementar en lasque los hilos de resistenciadescansan entre un armazón fijo yotro móvil bajo una ligera tensióninicial.


Transductores piezoeléctricos

Los elementos piezoeléctricos son materiales cristalinos que, al

deformarse físicamente por la acción de una presión, generan una

señal eléctrica.


Características elementos electromecánicos


Elementos ElectrónicosLos transductores electrónicos de vacío se emplean parala medida de alto vacío, son muy sensibles y se clasificanen los siguientes tipos:

a) Transductores mecánicos de fuelle y de diafragma

Trabajan en forma diferencial entre la presiónatmosférica y la del proceso. Pueden estar compensadoscon relación a la presión atmosférica y calibrados enunidades absolutas. Al ser dispositivos mecánicos, lasfuerzas disponibles a presiones del gas muy bajas son tanpequeñas que estos instrumentos no son adecuados parala medida de alto vacío estando limitados a valores de 1mm Hg abs.


Elementos Electrónicosb) Medidor McLeod

Se utiliza como aparato de precisión en la calibración delos restantes instrumentos. Se basa en comprimir unamuestra del gas de gran volumen conocido a un volumenmás pequeño y a mayor presión mediante una columnade mercurio en un tubo capilar.

c) Transductores térmicos

Se basan en el principio de la proporcionalidad entre laenergía disipada desde la superficie caliente de unfilamento calentado por una corriente constante y lapresión del gas ambiente cuando el gas está a bajaspresiones absolutas.


Elementos Electrónicos

d) 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.


Características elementos electrónicos

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