martes, 12 de octubre de 2010

MEDIDAS DE PRESIÓN - CONCEPTO DE PRESIÓN Y UNIDADES


Introducción.
La presión es una fuerza aplicada a una superficie o distribuida sobre ella. La presión "P" ejercida por una fuerza "F" y distribuida sobre una área "A" se define mediante la relación.
P = F / A
La presión podrá expresarse en muy diversas unidades, tales como:kg/cm2, psi, cm de columna de agua, pulgadas o cm de Hg, bar y como ha sido denominada en términos internacionales, en Pascales (Pa), como la medida estándar según la 3ra Conferencia General de la Organización de Metrología Legal. Dado que el Pascal (Newton/m2), es la unidad estándar, las equivalencias de las demás medidas las expresaremos en función de esta medida, a continuación:

1 Pa=0,00014 psi
1 Pa=0,0039 pulgadas de agua
1 Pa=0,00029 pulgadas de Hg
1 Pa=0,987x10-5 Atmf
1 Pa=0,102x10-4 kg/cm2
1 Pa=0,01 cm de agua
1 Pa=0,0075 mm de Hg
1 Pa=10-5 Bar
o bien de la siguiente tabla:

La presión puede medirse de dos maneras, la primera en términos absolutos, y la segunda en términos relativos.

·         La presión absoluta se mide con relación al cero absoluto o vacío total.

·         La presión relativa se mide con respecto a la presión atmosférica, es decir, su valor cero corresponderá al valor de la presión absoluta atmosférica.

·         La presión atmosférica es la que ejerce la masa de aire de la atmósfera terrestre sobre su superficie, medida mediante un barómetro. A nivel del mar, la presión atmosférica es de aproximadamente 760 mm de Hg absolutos, que es equivalente a 14,7 psia.

Otro tipo de medida de esta variable, frecuentemente usada es la presión diferencial,que consistirá en la medida de la misma entre dos puntos de un proceso.

·         La presión de vacío es aquella que se mide como la diferencia entre una presión
atmosférica y la presión absoluta (cero absoluto).

·         Presión manometrica. Es la presión medida con referencia a la presión atmosférica la diferencia entre la presión medida y la presión atmosférica real. Como ésta es variable, la comparación de valores medidos en diferentes intervalos de tiempo, resulta incierta.

·         Presión hidrostatica. Es la presión existente bajo la superficie de un líquido, ejercida por el mismo.

·         Presión de línea. Es la fuerza ejercida por el fluido, por unidad de superficie, sobre las paredes de una conducción por la que circula.

·         Presión diferencial. Es la diferencia entre un determinado valor de presión y otro utilizado como referencia. En cierto sentido, la presión absoluta podría considerarse como una presión diferencial que toma como referencia el vacío absoluto, y la presión manométrica como otra presión diferencial que toma como referencia la presión atmosférica.

Los elementos primarios de medición de presión son fundamentalmente de tres tipos:
1.- Elementos Mecánicos
2.- Elementos Electromecánicos
3.- Elementos Electrónicos.

1. Elementos mecánicos:
a) Elementos primarios de medida directa que miden la presión comparándola con la ejercida por un líquido de densidad y altura conocida.

Barómetro de mercurio
Un barómetro es aquel instrumento utilizado para medir la presión atmosférica. La forma más común de realizarlo es utilizando un barómetro de mercurio, que resulta ser un instrumento muy antiguo que data del año 1643 cuando fue creado por Torricelli. El uso popular de estos dispositivos, cuando son adquiridos para el hogar, es más bien decorativo (los hay con diversas cubiertas y estilos) y además es una forma de "predecir" el buen tiempo, asociado a la presencia de altas presiones.

El barómetro de mercurio está hecho de un tubo de 850 mm de altura, que en su interior cuenta con mercurio. Este tubo, fabricado en vidrio, en su extremo superior se encuentra cerrado, mientras que en el inferior está abierto. Como se mencionaba, el tubo es llenado de mercurio y se invierte para luego ser colocado dentro de una cubeta, también llena de mercurio.

Luego, el mercurio del tubo desciende hasta lograr una altura de 760 mm aproximadamente, por sobre el nivel de la cubeta, a la que se le denomina altura barométrica. Lo anterior, permite que se produzca un vacío en el extremo superior del tubo. A este vacío se le llama cámara barométrica. Finalmente, la presión atmosférica estará dada por las variaciones de altura del mercurio luego del proceso anterior. Esta variación fluctúa entre los 737 y los 775 mm de altura.

A pesar de que el barómetro de mercurio es, entre estos instrumentos, el más popular, también podemos encontrar los denominados barómetros metálicos, barómetros de Vidi o aneroides. Éste tipo de barómetros se componen de una caja fabricada en metal, en la que se ha producido el vacío en forma parcial. La caja, en su parte superior, cuenta con una tapa que tiene un resorte. Este resorte cumple con la función de equilibrar la presión atmosférica media. La tapa que se mencionaba está fabricada con una aleación metálica muy elástica que se eleva o hunde en función de los cambios de presión. Los movimientos que realiza la tapa hacen que se mueva una aguja que muestra la presión atmosférica actual graduada en milímetros.

Barómetro de cubeta.
El tubo de vidrio se llena de mercurio, se invierte y se introduce en una cubeta con el mismo metal; la columna y la cubeta actúan como vasos comunicantes. La presión atmosférica actúa sobre la superficie libre de mercurio de la cubeta, y lo empuja hacia el interior del tubo. Cuando se logra el equilibrio, el peso de la atmósfera es igual al de la columna de mercurio que alcanza, a nivel del mar, una altura de 76 cm
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Manómetro de tubo en U
La forma más tradicional de medir presión en forma precisa utiliza un tubo de vidrio en forma de U, donde se deposita una cantidad de liquido de densidad conocida (para presiones altas, se utilizan habitualmente mercurio para  que el tubo tenga dimensiones razonables; sin embargo, para presiones pequeñas el manómetro en U de mercurio seria poco sensible).  
Este tipo de manómetros tiene una ganancia que expresa la diferencia de presión entre los dos extremos del tubo mediante una medición de diferencia de altura (es decir, una longitud).
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Manómetro de tubo inclinado.


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El manómetro inclinado se usa frecuentemente en la medición de pequeñas diferencias en presiones de gas, se ajusta a la lectura cero moviendo la escala inclinada A y B están abiertos. 

Elementos primarios elásticos que se deforman por la presión interna de fluido que contiene.
 Los elementos primarios elásticos más empleados son:

Tubo burdón
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Es un tubo de paredes delgadas, cerrado en un extremo, aplastado de manera que su corte transversal tenga forma elipsoidal y curvado convenientemente. La presión que se desea medir se aplica a su extremo abierto, el tubo trata de enderezares y el movimiento de su extremo libre es amplificado por un sistema de palanca y sector dentado, e indica en un dial graduado en las unidades de presión convenientes. De esta clase de medidores es el menos preciso.

-Elemento en espiral
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Es un tubo bourdon con mayor numero de vueltas lo que mejora su sensibilidad con respecto a aquel por lo que su uso se ha extendido a instrumentos, transmisores y de control. Puede medir bajas presiones debido a su gran torsión de pluma (fuerza necesaria para mover la punta o puntero) y bajos valores de fricción. 

-El helicoidal
Ideal para medir altas presiones incluso hasta 80000 psi, se garantiza una precisión del 1%.

El diafragma
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Consta de una o varias cápsulas circulares conectadas rígidamente entre si por soldadura. Si una se deforma, el desplazamiento es amplificado por un juego de palancas. La relación entre la deformación de los elementos y la presión es aproximadamente lineal para un amplio rango de valores, con un mínimo de histéresis y desviación de cero. 

El fuelle

Similar al diafragma compuesto pero de una pieza. Combinado con un muelle puede utilizarse para medir presión de vacío.

2.- Elementos Electromecánicos:

Estos elementos son la combinación de un elemento mecánico elástico y un transductor eléctrico, que generara la señal correspondiente.
Los elementos electromecánicos de presión se clasifican de acuerdo al principio de funcionamiento, estos son:

- Transmisores electrónicos de equilibrio de fuerzas
- Resistivos
- Magnéticos
- Capacitivos
- Extensiométricos
- Piezoeléctricos

Resistivos:

Los elementos resistivos consisten de un elemento elástico, que varia la resistencia ohmica en función de la presión. Ver gráfica a continuación:
La resistencia que se obtenga mediante un puente de Wheastone, podrá asociarse casi de forma lineal con el valor de la presión.

Su rango de medida varia entre 0,1 y 300 Kg/cm2, su precisión es de alrededor del 1,5% del Span, pero su defecto es que son altamente sensibles a lasvibraciones.

Magnéticos

Los elementos magneticos trabajan de forma similar a los resistivos, solo que en este caso el transductor no será una resistencia, sino una bobina y un imán conectado mecánicamente al elemento elástico. El devanado de la bobina es alimentado con corriente alterna y la fem inducida por el imán será opuesta a la de alimentación, siendo la diferencia la diferencia proporcional a la presion aplicada sobre el elemento elástico.

Capacitivos

Los elementos capacitivos se basan en el principio que establece que un condesador variara su capacitancia al desplazarse una de sus placas. En este caso, una de las placas, la móvil, estará conectada mecánicamente a un elemento elástico, de tal forma que podemos establecer un puente de Wheastone capacitivo, cuyas características son mas estables que las del elemento resistivo, sin embargo, como todos los anteriores sistemas sigue siendo sensible a las vibraciones.

Extensiométricos

Los elementos extensiometricos también conocidos como galgas extensiometricas (strain gage), se basan en un principio que establece que la resistividad de un conductor varia de acuerdo al diámetro y longitud de dicho conductor.
Recientemente, fue descubierto un material conductor, que tenía la peculiaridad mecánica de poseer un coeficiente de elasticidad tal que le era posible, en forma de conductor (hilo), al aplicar tensión mecánica, deformase aumentando su longitud y disminuyendo su diámetro y al desaparecer el efecto de la tensión, el
conductor recuperara sus dimensiones originales de longitud y diámetro. A este tipo de conductor se le llamo hilo activo.

Piezoeléctricos:

Los transductores Piezoeléctricos, actualmente aún en estudio para su aplicación industrial, son materiales cristalinos que al deformarse por efecto de la presión, generan una señal eléctrica. Los materiales cristalinos que se estudian son el cuarzo y el titanio de bario, capaces de soportar temperaturas entre 150 y 230 grados Celsius en servicio intermitente.
Este rango de temperatura no es aceptable de ningún modo para los anteriores elementos transductores, lo que advierte sobre la gama de aplicaciones industriales de los piezoeléctricos.








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