Elementos Electromecánicos

República Bolivariana de Venezuela. Ministerio del Poder Popular para la Educación Universitaria. Universidad Politécnica Territorial del Norte de Monagas “Ludovico Silva” Caripito, Estado Monagas.

Medidores de Presión Profesor: Lovera José Realizado por: T.S.U. Cedeño Rogiel. T.S.U. Marcano José T.S.U. Pinto Jesús. T.S.U. Sequera Andrés.

Caripito, Marzo de 2017. 1. Unidades y clases de presión. La Presión es una magnitud física escalar que mide la fuerza en dirección perpendicular por unidad de superficie, y sirve para caracterizar como se aplica una determinada fuerza resultante sobre una superficie. Presión es la fuerza normal por unidad de área, es decir, equivale a la fuerza que actúa sobre la unidad de superficie, y está dada por: P = F/A Donde P es la fuerza de presión, F es la fuerza normal, es decir perpendicular a la superficie y A es el área donde se aplica la fuerza. Unidades de Presión.

La presión siempre se mide respecto a una referencia o valor patrón, la cual puede ser el vacío absoluto u otra presión como en el caso más común en que se trata de la presión atmosférica. Existen distintos tipos de presión, algunos de ellos son: Presión atmosférica: Esta es la fuerza que el aire ejerce sobre la atmósfera, en cualquiera de sus puntos. Esta fuerza no sólo existe en el planeta Tierra, sino que en otros planetas y satélites también se presenta. Lo que ocurre con la presión atmosférica es que cuando el aire está a baja temperatura, desciende aumentando así la presión. En estos casos se da un estado de estabilidad conocido como anticiclón térmico. En caso de que el aire se encuentre a altas temperaturas sube, bajando la presión. Esto causa inestabilidad, que provoca ciclones o borrascas térmicas. Presión manométrica: Esta presión es la que ejerce un medio distinto al de la presión atmosférica. Representa la diferencia entre la presión real o absoluta y la presión atmosférica. La presión manométrica sólo se aplica cuando la presión es superior a la atmosférica. Cuando esta cantidad es negativa se la conoce bajo el nombre de presión negativa. La presión manométrica se mide con un manómetro. Presión absoluta:

Esta equivale a la sumatoria de la presión manométrica y la atmosférica. La presión absoluta es, por lo tanto, superior a la atmosférica, en caso de que sea menor, se habla de depresión. Ésta se mide en relación al vacío total o al 0 absoluto. Presión de vacío Se refiere a presiones manométricas menores que la atmosférica, que normalmente se miden, mediante los mismos tipos de elementos con que se miden las presiones superiores a la atmosférica, es decir, por diferencia entre el valor desconocido y la presión atmosférica existente. los valores que corresponden al vacío aumentan al acercarse al cero absoluto y por lo general se expresa a modo de centímetros de mercurio (cm Hg), metros de agua, etc. De la misma manera que para las presiones manométricas, las variaciones de la presión atmosférica tienen solo un efecto pequeño en las lecturas del indicador de vacío. Sin embargo, las variaciones pueden llegar a ser de importancia, que todo el intervalo hasta llegar al cero absoluto solo comprende 760 mmHg. Presión diferencial: Es la diferencia entre un determinado valor de presión y otro valor de referencia. De hecho, se podría considerar también la presión absoluta como presión diferencial basada en el vacío como referencia o la presión relativa en comparación con la presión atmosférica. Presión barométrica: Es la presión que se mide mediante un barómetro el cual se puede usar como un altímetro y puede marcar la presión sobre o bajo el nivel del mar. 2. Presión en Fluidos. Fluidos estáticos En un fluido estático la presión en un punto dado es igual al peso de la columna de líquido por unidad de área. Dicho de otra forma en un líquido la

presión será igual a la altura de la columna de líquido (h) por el peso específico (γ ): P=γh Vemos entonces que la presión en un líquido será directamente proporcional a la altura de líquido sobre él. Algunas de las unidades de presión provienen de hecho de esta propiedad de la presión en los fluidos, por ejemplo, Pulg Hg, Pulg H2O, Cm H2O.

Fluidos en movimiento En un fluido en movimiento se presentan diversos tipos de presiones a saber. 1. Presión estática Es la presión ejercida por el fluido en todas sus direcciones. Esta corresponde a la presión que se mediría con un instrumento que se mueve con el fluido. Para medirla se puede usar una toma perpendicular a la dirección del flujo 2. Presión dinámica Es la presión que se produce por el efecto de la velocidad del fluido. Esta se ejerce solamente en la dirección del fluido. En un fluido estático la presión dinámica es cero. Para medirla se debe hacer la diferencia entre la presión de estancamiento y la presión dinámica. 3. Presión de estancamiento Es la presión resultante de la presión estática más la presión dinámica. Su valor será el de la presión cuando el fluido se desacelera hasta obtener una velocidad cero en un proceso sin rozamiento.

3. 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 contienen.

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.  Tubo de Bourdon: El manómetro o tubo de Bourdon (en francés, tube de Bourdon) es un dispositivo para medir la presión.

El manómetro de Bourdon consta de un fino tubo metálico de paredes delgadas, de sección elíptica muy aplastada y arrollado en forma de circunferencia. Este tubo (que se aprecia en la fotografía) está cerrado por un extremo que se une a una aguja móvil sobre un arco graduado. El extremo libre, comunica con una guarnición (parte superior de la fotografía) que se conectará al recipiente que contiene el gas comprimido. Cuando la presión crece en el interior del tubo, éste tiende a aumentar de volumen y a rectificarse, lo que pone en movimiento la aguja.  El elemento en espiral y el helicoidal. 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 capsulas circulares conectadas rígidamente entre sí por soldadura, de forma que, al aplicar presión, cada capsula 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 algunos 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.

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 seria de 710 mm, con una presión atmosférica de 760 mm. Si la presión atmosférica cambiase a 775 mm cl vacuómetro indicaría: 710 + 15 = 725 mm con lo cual la presión absoluta en la columna sería controlada a 50 + 15 = 65 mm, es decir, a un 30 % más de la deseada. A señalar que los restantes elementos de presión descritos anteriormente (Bourdon, espiral, diafragma, fuelle) miden la presión relativa, ya que la presión del fluido se encuentra dentro del elemento, mientras que en el exterior actúa 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 cuando él fluido es altamente viscoso y obtura el elemento (tubo Bourdon, por ejemplo), o bien, cuando la temperatura del proceso es demasiado alta. Tal ocurre en la medición de presión del vapor de agua en que el agua condensada aísla el tubo Bourdon de la alta temperatura del vapor figura 1.2 a. Se emplean asimismo sellos volumétricos de diafragma y de fuelle figura b y c que contienen un líquido incompresible para la transmisión de la presión.

Los instrumentos de presión deben estar aislados con una válvula de cierre para su desmontaje del proceso. Cuando la presión del proceso supera los 25 bar se necesita otra válvula de alivio para evitar un posible accidente en el

desmontaje del aparato. De este modo, el operario primero cierra la válvula de aislamiento y abre, a continuación, la válvula de alivio para liberar la presión dentro de la toma interna de presión del aparato. Si no procediera así, el fluido podría accidentar al operario, al darle directamente en la cara al desenroscar el instrumento. El recorrido de la tubería de instalación debe hacerse siguiendo una inclinación hacia arriba si el fluido es un gas (posibles condensaciones de humedad o vapores) y hacia abajo si es un líquido (para la eliminación de burbujas de aire). En los casos en que la temperatura es alta, tal como la medida de presión de vapor de agua con un manómetro, es más barato utilizar una lira (pigtail) que enfría el vapor y lo condensa, utilizando así el agua como fluido de sello. Si el fluido no condensa, basta una longitud de tubería relativamente larga para enfriarlo (el fluido no circula, por lo que la tubería no debe ser tampoco excesivamente larga). Longitudes mayores de 25 m requieren el uso de un transmisor. Si la temperatura del proceso es superior a los límites tolerados por el instrumento, se prevé una longitud de tubería suficiente sin aislar ni tracear, para bajar (o elevar) la temperatura a límites aceptables. Normalmente, una longitud de tubería de ½" sin aislar de 75 a 100 cm, es suficiente para bajar la temperatura desde unos 500 °C a menos de 100 °C. Los tubos capilares de los separadores de diafragma deben instalarse cuidadosamente, aislados de cualquier fuente variable de calor (tuberías de traceado de vapor o proceso, etc.) y protegidos mecánicamente en bandejas. Después de la instalación debe comprobarse si es significativo el error debido a la columna hidrostática entre la toma de proceso y el instrumento y efectuar, en su caso, la correspondiente corrección sobre el cero. En los transmisores esta corrección se realiza con la supresión o elevación de cero. Si se conoce o se supone la existencia de vibraciones o pulsaciones (por ejemplo, tuberías cercanas a máquinas alternativas, bombas dosificadoras, etc.) se preverán, en fase de proyecto, manómetros con amortiguadores o, como alternativa, manómetros especialmente diseñados para estos servicios.

En algunos casos puede utilizarse el relleno de glicerina para la protección de vibraciones o pulsaciones del proceso. Si hay transmisión de vibraciones de alguna máquina o equipo, podrán utilizarse latiguillos flexibles. En general, los instrumentos de presión se conectan al proceso después de que las líneas han sido perfectamente lavadas y probadas hidrostáticamente. En la tabla 3.2 figura un resumen de los distintos elementos mecánicos de presión.

4. 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: Estos se basan en que el desplazamiento provocado por un elemento elástico el cual hace variar la resistencia de un potenciómetro en función de la presión. Existen varios tipos de

potenciómetros a utilizar: de grafito, de resistencia embobinada, de película metálica y plástico moldeado. La señal de salida de estos transductores es bastante potente, por lo que no es necesario una etapa de amplificación a la salida, sin embargo, son insensibles a pequeñas variaciones del cursor y son sensibles a vibraciones. No suelen ser muy estables. 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 %

 Los elementos magnéticos: Los transductores magnéticos básicamente son de dos tipos:  Transductores de inductancia variable en los que el desplazamiento de un núcleo móvil dentro de una bobina varía la inductancia casi proporcional al desplazamiento del núcleo. Dentro de este tipo de transductores también se utiliza el LVDT.



Transductores de reluctancia variable, en este caso se tiene un imán permanente que crea un campo magnético dentro del cual se mueve

una armadura de material magnético. Al cambiar la posición de la armadura varía la reluctancia y por consiguiente el flujo magnético, esta variación del flujo provoca una corriente inducida en la bobina que es proporcional al desplazamiento de la armadura.

Al aplicar la presión al elemento elástico, éste desplaza el núcleo de la bobina o la armadura, generándose una señal eléctrica proporcional a la presión.  Los elementos capacitivos: El funcionamiento básico de éste tipo de transductores consiste en dos placas paralelas separadas por un dieléctrico. La variación de capacitancia puede ser obtenida por cambios de la distancia entre placas, cambios en el área de las placas o cambios físicos o químicos en el dieléctrico. 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. Se caracterizan por ser de tamaño pequeño y su robusta construcción, son adecuados para mediciones estáticas y dinámicas, su señal de salida es débil por lo que se requiere una etapa amplificadora a la salida del transductor, son sensibles a la temperatura.

La capacitancia está dada, por ejemplo: C=(0.225*A*K)/x Donde A= Área común K= Ctte. Dieléctrica x= Dist. De las Placas  Los elementos extensométricos. También llamados galgas extensométricas o strain gage. Se basan en la variación de longitud y de diámetro, por lo tanto, de resistencia, que tiene lugar cuando un hilo de alambre se encuentra sometido a una tensión mecánica por la acción de la presión. El cambio de resistencia que acompaña al esfuerzo se debe a cambios geométricos y a cambios en la resistividad del material. Cumplen la siguiente relación: R=ρ L / A

Donde:

L=Longitud A= área de la sección transversal ρ= Resistividad del material.

Pueden ser de tres tipos: De alambre, laminar y semiconductor  Los elementos piezoeléctricos. Estos dispositivos utilizan las características piezoeléctricas de ciertos cristales y materiales cerámicos para generar una señal eléctrica. El denominado efecto piezoeléctrico fue descubierto por Pierre y Jacques Curie en 1880, cuando descubrieron que al aplicar presión a un cristal de cuarzo se podía generar una carga eléctrica. Estudios posteriores han revelado que existen unos 40 materiales cristalinos que cumplen esta propiedad. Estos elementos eléctricos, son materiales cristalinos que, al deformarse físicamente por la acción de una presión, generan una señal eléctrica. La señal de respuesta varía en forma lineal con la presión de entrada, son adecuados para medidas dinámicas ya que son capaces de responder a frecuencias del orden de 1 MHz. Son elementos pequeños de construcción robusta sin embargo son sensibles a cambios de temperatura; requiere de amplificadores. Hay dos tipos básicos de cristales; los naturales y los sintéticos, siendo estos últimos “cristales” cerámicos de los que el titanato de bario fue el primero con aplicaciones comerciales. Se descubrió que la adición de impurezas controladas tales como el titanato de calcio, mejoraba alguna de las características de los cristales. Esto dio como resultado que los cerámicos sean

utilizados

con

mayor

frecuencia

en

la

producción

de

transductores

piezoeléctricos. Los piezoeléctricos son dispositivos de alta impedancia, por esto solo pueden suministrar corrientes muy pequeñas. Si la temperatura es elevada lo suficiente, punto Curie, estos materiales pueden perder sus propiedades. Debe notarse que una limitación de los piezoeléctricos es que no tienen buena respuesta a la aplicación de una fuerza constante, pero su respuesta es adecuada para la medición de fuerzas mecánicas cambiantes. Su respuesta en frecuencia va desde unos pocos Hertz hasta el nivel de Mega Hertz. En la tabla 3.3 pueden verse las características de los elementos electromecánicos descritos.

4. Elementos electrónicos de vacío. Los elementos electrónicos de vacío se emplean para la medida de alto vacío, son muy sensibles y se clasifican en los siguientes tipos:     

Medidor McLeod. Mecánicos – Tubo Bourdon, fuelle y diafragma. Propiedades de un gas – Conductividad térmica. Térmicos – Termopar, Pirani, bimetal. Ionización – Filamento caliente, cátodo frío.

El 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.

El tubo Bourdon combina la medida de presión y vacío con la escala dividida en dos partes, a la izquierda el vacío (cm de Hg y pulgadas de mercurio) y a la derecha Kg/cm2 (bar) y psi.

Los elementos 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 0,00001 mm Hg abs. Pueden llevar acoplados elementos eléctricos del tipo de galga extensométricas o capacitivos. En la figura 3.17 puede verse un medidor de vacío de capacitancia con diafragma

Los aparatos basados en las propiedades de un gas miden la conductividad térmica o la viscosidad. Estos parámetros varían de forma no lineal con la presión y dependen de la composición del gas, por lo que son inexactos. Trabajan entre 100 mm Hg abs y 0,0001 mm Hg abs.

Los elementos 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. Son el elemento térmico de termopar, el elemento Pirani y el elemento bimetálico.

El elemento de termopar: La operación del medidor depende de la conducción de calor entre la lámina caliente en el centro y la superficie fría exterior del tubo de cristal (que normalmente está a la temperatura de la habitación.) La lámina metálica se calienta por el paso de una corriente a su través, y su temperatura se mide por un termopar, la temperatura medida depende de la conductividad térmica del gas, que depende de la presión del mismo. Una fuente de error en este instrumento lo constituye el hecho de que el calor se transmite por radiación, así como por conducción. El calor transmitido por radiación es una magnitud constante e independiente de la presión que puede ser medida y corregida. Sin embargo, es más conveniente diseñar el sistema para que presente una pérdida de radiación baja, eligiendo un elemento a calentar con baja emisividad. Los instrumentos de termopar se usan típicamente para medir presiones en el rango de 10 -4 milibares a un milibar. Medidor de Pirani: Una forma típica del medidor de Pirani se muestra en la figura. Es parecido al medidor de termopar, pero tiene un elemento calefactor

que consiste en 4 bobinas de alambres de wolframio conectadas en paralelo. Dos tubos idénticos se conectan normalmente en un circuito puente, conteniendo uno el gas a la presión desconocida, mientras en otro se mantiene a muy baja presión. La corriente pasa por el elemento de wolframio, que alcanza una cierta temperatura de acuerdo con la conductividad térmica del gas. La resistencia del elemento cambia con la temperatura y produce el desequilibrio del puente de medida. De este modo, el medidor de Pirani evita el uso de un termopar para medir la temperatura (como en el medidor de termopar.) Tales medidores cubren el rango de presiones de 10 -5 milibares a 1 milibar. El elemento de convección tiene la misma estructura que el de termopar o el Pirani, con la diferencia de que la convección natural de los gases extrae el calor del filamento caliente. Intervalo de medida de 10 mm Hg a 1 atmósfera. Los elementos 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. Los forman el elemento de filamento caliente y el elemento de cátodo frío. Cubren el intervalo desde 10-4 y 10 mm Hg abs. Los elementos de cátodo (filamento) caliente (Bayard/Alpert (B-A) and Schulz-Phelps (S-P)) emiten electrones termoiónicos de 70 eV que ionizan las moléculas de gas residual contra las que chocan. La corriente al colector (-150 V) varía con la densidad del gas, es decir con el número de moléculas por unidad de volumen (cc), lo que es una medida directa de la presión del gas.

Los elementos de cátodo (filamento) frío están basados en una descarga mantenida por un campo magnético externo que fuerza a los electrones a seguir una trayectoria en hélice con una alta probabilidad de ionizar el gas residual. El número de iones captados determina la presión del gas. Uno de los modelos es el llamado magnetrón invertido que puede medir de 1 a 10 -11 mm Hg abs, si bien, su puesta en marcha a baja presión puede ser de horas o días.

5. Equipos industriales más utilizados para medir la presión. Entre los distintos equipos utilizados en la industria para medir presión se subrayan dos: el manómetro y el transmisor de presión. El manómetro es usado para lectura de presión y tienen normalmente una conexión al proceso y un display (cuando electrónico) o puntero (cuando mecánico) para que se pueda leer la presión localmente. Por lo general son dispositivos de bajo costo y se usan cuando la presión no necesita transmitirse a un sistema de control y también no se necesita de exactitud. Por ejemplo, presión estática, presión de bomba, etc. Existen también modelos diferenciales, vacuómetros, sanitarios, etc. Ejemplos de manómetros.

Un transmisor de presión inteligente reúne la tecnología de sensor a su propia electrónica.

Típicamente debe proveer las siguientes características:  Señal digital de salida;  Interfaz de comunicación digital (HART/4-20mA, Foundation Fieldbus,           

Profibus-PA); Compensación de presión y temperatura; Estabilidad; Debe permitir calibración fácil; Re-range con y sin referencia; Autodiagnósticos; Fácil instalación y calibración; Alta confiabilidad; Bajos costos y tiempos cortos de instalación y mantenimiento; Reducción de intrusión/penetración (proceso); Ahorro de espacio en la instalación; Permitir actualización para la tecnología Foundation Fieldbus y Profibus

PA;  Recursos de interfaz EDDL y FDT/DTM;  Protector de transientes, sin polaridad de alimentación;  Traba física para transferencia de custodia, etc.

Los transmisores de presión microprocesados tienen la gran ventaja de posibilitar mejor interacción con el usuario, con interfaces de fácil utilización. Además, sus características de autodiagnosis facilitan la identificación de problemas. Con el advenimiento de las redes fieldbus, es posible extraer los beneficios de la tecnología digital al máximo. Estos transmisores tienen mejor exactitud, estabilidad electrónica superior a los modelos analógicos, además de facilitar ajustes y calibraciones. La tecnología digital también permite que se implementen poderosos algoritmos a favor de performance y exactitud de medición y de monitoreo en línea de toda la vida del equipo.