MEDICIÓN DE PRESIÓN PRINCIPIOS DE INSTRUMENTACIÓN Bucaramanga, Abril 2016
MEDICIÓN DE PRESIÓN PRESIÓN La presión es la variable más comúnmente medida, junto con la temperatura, en plantas de proceso. Necesidad de control de la presión en los procesos industriales: Condiciones de operación seguras. (Ejm: Recipientes presurizados) Las presiones excesivas no solo pueden provocar la destrucción del equipo, sino también provoca la destrucción del equipo adyacente y pone al personal en situaciones peligrosas, particularmente cuando están implícitas, fluidos inflamables o corrosivos. Calidad del producto ( mantenerlo dentro de ciertas presiones) Aplicaciones de medición de nivel • •
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Aplicaciones de medición de flujo
MEDICIÓN DE PRESIÓN PRESIÓN La presión es una fuerza por unidad de área o superficie y puede expresarse en unidades tales como pascal, bar, atmósferas, kilogramos por centímetro cuadrado y psi (libras por pulgada cuadrada), en donde para la mayoría de los casos se mide directamente por su equilibrio directamente con otra fuerza, conocida que puede ser la de una columna líquida, un resorte, un émbolo cargado con un peso o un diafragma cargado con un resorte o cualquier otro elemento que puede sufrir una deformación cualitativa cuando se le aplica la presión.
MEDICIÓN DE PRESIÓN PRESIÓN
MEDICIÓN DE PRESIÓN PRESIÓN La unidad internacional de presión es el Pascal (Pa), el cual caracteriza una presión uniforme que actúa sobre un área de un metro cuadrado y crea sobre esta área una fuerza perpendicular de 1 Newton. 1 Pascal es una unidad de presión muy pequeña, por ello se utiliza el Kpa ( 1 KPa= 1000 Pa), que permite expresar fácilmente los rangos de presión utilizados en la industria petrolera.
MEDICIÓN DE PRESIÓN TIPOS DE PRESIONES •
Presión absoluta: Presión que se mide a partir de la presión cero de un vacío absoluto.
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Presión atmosférica: Presión que ejerce la atmósfera que rodea la tierra (barométrica) sobre todos los objetos que se hallan en contacto con ella.
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Presión relativa (manométrica): Presión mayor a la presión atmosférica, es la presión medida con referencia a la presión atmosférica, conocida también como presión relativa o presión positiva.
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Presión diferencial: Es la diferencia entre dos presiones
MEDICIÓN DE PRESIÓN TIPOS DE PRESIONES Vacío: Presión menor a la presión atmosférica, medida por abajo de la presión atmosférica. Cuando el vacío se mide con respecto a la presión atmosférica se le conoce como presión negativa, el vacío también puede medirse con respecto al "cero absoluto" como una presión absoluta menor a la presión atmosférica.
MEDICIÓN DE PRESIÓN CLASIFICACIÓN Los elementos para medir presión se dividen en:
Mecánicos: •
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De medida directa: Miden la presión comparándola con la ejercida por un líquido de densidad y altura conocidas (Manómetros de tubo en U, de pozo, de tubo inclinado, de campana). Elásticos: se deforman con la presión interna del fluido que contienen (Manómetros de tubo de Bourdon, Fuelles, Diafragmas)
Electromecánicos y Electrónicos • • •
Medidor de esfuerzo: Galgas Extensiometricas Capacitivos Transductor de presión Piezoeléctrico
MEDICIÓN DE PRESIÓN MANÓMETROS •
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Es el nombre genérico de los instrumentos que miden presión. La tradicional presiónseendeposita forma precisa utiliza un forma tubo demás vidrio en formadedemedir "U", donde una cantidad de líquido de densidad conocida (para presiones altas, se utiliza habitualmente mercurio para que el tubo tenga dimensiones razonables; sin embargo, para presiones pequeñas el manómetro en U de mercurio sería poco sensible). Generalmente se usa para designar a los instrumentos que miden presión arriba de la presión atmosférica.
MEDICIÓN DE PRESIÓN MANÓMETROS
MEDICIÓN DE PRESIÓN 1. MANÓMETROS DE TUBO EN U El manómetro de "U" conforma un sistema de medición absoluto y no depende de calibración por lo que se considera un patrón de medición de presión. Su desventaja principal es la longitud de tubos necesarios para una medición de presiones altas y no se utiliza en un sistema de transmisión remota. El líquido debe ser compatible con el fluido cuya presión se desea medir y el tubo debe soportar los esfuerzos mecánicos a los que pueda ser sometido.
MEDICIÓN DE PRESIÓN 1. MANÓMETROS DE TUBO EN U
MEDICIÓN DE PRESIÓN OTROS
Manómetro de pozo
Manómetro de Tubo inclinado
MEDICIÓN DE PRESIÓN MANÓMETROS POR ELEMENTOS ELÁSTICOS •
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El manómetro es el instrumento local utilizado para medir presión y su elemento sensor generalmente es un Bourdon. Los manómetros contienen órganos medidores que se deforman bajo la influencia de una presión elástica. Este movimiento se transmite a un mecanismo indicador. Debido a su resistencia y fácil manejo, los manómetros están ampliamente difundidos en el campo de la medición de presión. Los órganos medidores están construidos normalmente en acero inoxidable o en aleaciones de cobre, níquel o aleaciones especiales ( hastelloy y monel)
MEDICIÓN DE PRESIÓN 2. MANÓMETRO DE TUBO DE BOURDON Para cualquier tipo de carga, la relación entre la carga y la deformación ε es una constante del material, conocida como el módulo de Young:
E=Carga/ε
Si la constante de deformación es conocida, se puede obtener la carga según: Carga = E*ε 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.
MEDICIÓN DE PRESIÓN 2. MANÓMETRO DE TUBO DE BOURDON •
El tubo de 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.
MEDICIÓN DE PRESIÓN 2. MANÓMETRO DE TUBO DE BOURDON •
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Este manómetro, tal vez el más común en plantas de procesos que requieran medición de presiones, consiste de un tubo metálico achatado y curvado en forma de "C", abierto sólo en un extremo. Las escalas, exactitudes y modelos difieren de acuerdo con el diseño y aplicación, con lo que se busca un ajuste que de linealidad optima e histéresis mínima. El error causado por la temperatura, según el material, está entre 0,3% y 0,4%.
MEDICIÓN DE PRESIÓN 2. MANÓMETRO DE TUBO DE BOURDON CLASIFICACIÓN
MEDICIÓN DE PRESIÓN 2. MANÓMETRO DE TUBO DE BOURDON
TIPO C
MEDICIÓN DE PRESIÓN 2. MANÓMETRO DE TUBO DE BOURDON El elemento en espiral se forma arrollando el tubo Bourdon en forma de espiral alrededor de un eje común.
ESPIRAL
MEDICIÓN DE PRESIÓN 2. MANÓMETRO DE TUBO DE BOURDON El elemento helicoidal se forma arrollando más de una espira en forma de hélice. El elemento espiral y helicoidal proporcionan un desplazamiento grande del extremo libre y, por ello, son ideales para los registradores.
HELICOIDAL
MEDICIÓN DE PRESIÓN
MEDICIÓN DE PRESIÓN 3. MANÓMETRO DE DIAFRAGMA Los diafragmas son láminas elásticas onduladas de forma circular. Por una cara soportan la presión a medir. La curvatura de la membrana es una medida de la presión.
Para la corrosión se pueden proteger de las substancias corrosivas mediante la cobertura o anteposición de láminas de plástico.
MEDICIÓN DE PRESIÓN 3. MANÓMETRO DE 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 del cero del instrumento
MEDICIÓN DE PRESIÓN 3. MANÓMETRO DE DIAFRAGMA La diferencia de la indicación al cambiar la temperatura es considerablemente superior que en los aparatos con tubo Bourdon.
MEDICIÓN DE PRESIÓN 3. MANÓMETRO DE DIAFRAGMA
MEDICIÓN DE PRESIÓN MEDICIÓN DE DIFERENTES TIPOS DE PRESIÓN
MEDICIÓN DE PRESIÓN 3. MANÓMETRO DE DIAFRAGMA
MEDICIÓN DE PRESIÓN 4. MANÓMETRO DE TIPO FUELLE •
Los fuelles son elementos expandibles y contraíbles, que tienen la forma de un acordeón. Con el fin de tener mayor duración y mejorar su exactitud, el movimiento del fuelle es restringido por medio de un resorte calibrado.
El fuelle es parecido al diafragma compuesto, pero de una sola pieza flexible axialmente, y puede dilatarse o contraerse con un desplazamiento considerable.
MEDICIÓN DE PRESIÓN 4. MANÓMETRO DE TIPO FUELLE Los manómetros de fuelle tienen un elemento elástico en forma de fuelle (como el acordeón) al que se le aplica la presión a medir, esta presión estira el fuelle y el movimiento de su extremo libre se transforma en el movimiento de la aguja indicadora.
MEDICIÓN DE PRESIÓN 4. MANÓMETRO DE TIPO FUELLE
MEDICIÓN DE PRESIÓN 4. MANÓMETRO DE TIPO FUELLE
MEDICIÓN DE PRESIÓN 4. MANÓMETRO DE TIPO FUELLE
MEDICIÓN DE PRESIÓN OBSERVACIÓN En los casos en que la temperatura es alta, tal como la medida de presión de vapor aguautilizar con un un manómetro, es másde barato tubo (pigtail) que enfría el vapor y lo condensa, utilizando así el agua como fluido de sello. Esto funciona como un tapón que impide que los gases alcancen al instrumento y también irradia algo de calor al aire circundante. el fluido no condensa, basta una Si longitud de tubería relativamente larga para enfriarlo.
MEDICIÓN DE PRESIÓN 5. GALGAS EXTENSIOMÉTRICAS ( STRAIN GAGE) Sensores cuya resistencia varía con la fuerza aplicada; convierte la fuerza, presión, tensión, etc., en un cambio de la resistencia eléctrica el cual puede ser medido. Se basan en el efecto piezoresistivo.
EFECTO PIEZORESISTIVO: Describe el cambio en la resistencia eléctrica de un conductor o semiconductor cuando es sometido a una tensión mecánica (esfuerzo) . Se busca modificar la resistencia variando algunos de los parámetros de la misma, por ejemplo, su longitud l o su sección transversal A. Si a una pieza de material resistivo se le aplica un esfuerzo, esta se deformará, y cambiará su resistencia. Por eso este tipo de sensores se utiliza para medir fuerza, presión, etc.
MEDICIÓN DE PRESIÓN LEY DE HOOKE Si se tiene un conductor cilíndrico de longitud l y sección transversal A, y se le aplica un esfuerzo perpendicular a la sección transversal, de tal forma de comprimirlo o estirarlo,
El cambio de longitud de esta longitud viene dada por la ley de Hooke, , siempre y cuando se encuentre en la zona elástica,
MEDICIÓN DE PRESIÓN LEY DE HOOKE Todo material al que se le aplica un esfuerzo se deformará en mayor o menor grado, y llegará a un punto en que se romperá. La relación esfuerzo vs deformación se muestra en la siguiente gráfica:
MEDICIÓN DE PRESIÓN PARÁMETROS DE LAS GALGAS Se constituyen por una base muy delgada y fina, a la cual se le adhiere un hilo muy fino metálico, dispuesto en forma de rejilla, al final las 2 terminales que acaba el hiloleer se lapueden unir generada por medio soldadura a en un las dispositivo que pueda resistencia por de la galga. Esta forma de rejilla permite aprovechar la máxima cantidad de material de la galga sujeto a la tensión a lo largo de su eje principal.
MEDICIÓN DE PRESIÓN GALGA EXTENSIOMÉTRICA PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Al deformarse el soporte de la galga o strain gage, se "estiran" o se "comprimen" los hilos, el sensor, variando así, su resistencia. El cambio de resistencia será, precisamente, el reflejo de la deformación sufrida(asociada a la presión ejercida). En términos de su caracterización, dada la resistencia R sin deformación, la aplicación de una fuerza F deformante producirá un cambio de resistencia.
MEDICIÓN DE PRESIÓN TIPOS DE GALGAS: METALICAS Y SEMICONDUCTORAS Las galgas se construyen con diferentes elementos, existen dos tipos:
METÁLICAS: Formadas por diversos conductores metálicos como las aleaciones constantan, karma, isoelastic, Niquel-Cromo, Iridio- Platino, Niquel-Cobre, etc. Ventaja:Manganin, Bajo coeficiente de temperatura.
SEMICONDUCTORAS: Formadas por Silicio, Germanio, etc. Ventajas: Tamaño reducido, soportan una alta resistencia, menor histéresis.
MEDICIÓN DE PRESIÓN VENTAJAS DE LAS GALGAS EXTENSIOMETRICAS • • • • • • •
Amplios rangos de presión Buena exactitud No son influidas por campos magnéticos Pequeños y compactos Gran linealidad Mantenimiento simple Sin partes móviles
DESVENTAJAS DE LAS GALGAS EXTENSIOMETRICAS • • • • •
Sensibilidad a las vibraciones. Su señal de salida es débil. Estabilidad dudosa a lo largo del tiempo de funcionamiento. Para umbrales pequeños la técnica de construcción es cara. Se ven afectadas por el cambio de temperatura porque esta puede afectar a la resistencia.
MEDICIÓN DE PRESIÓN
MEDICIÓN DE PRESIÓN 6. SENSORES PIEZOELECTRICOS EFECTO PIEZOELÉCTRICO •
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Fenómeno por determinados cristales que eléctrica al ser sometidos a presentado tensiones mecánicas adquieren una polarización en su masa, apareciendo una diferencia de potencial y cargas eléctricas en su superficie. Este fenómeno también es reversible, esto es, se deforman bajo la acción de fuerzas internas al ser sometidos a un campo eléctrico. En el efecto piezoeléctrico al dejar de someter los cristales a un voltaje exterior o campo eléctrico, recuperan su forma. Aplicación para la medida de fuerza y aceleración. Sensores de ultrasonidos
MEDICIÓN DE PRESIÓN 2. SENSORES PIEZOELECTRICOS EFECTO PIEZOELÉCTRICO
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MEDICIÓN DE PRESIÓN MATERIALES PIEZOELECTRICOS Las cerámicas piezoeléctricas son uno de los elementos piezoeléctricos ―que son el elemento activo en la mayoría de los dispositivos y transductores ultrasónicos― más importantes, siendo los otros los cristales de cuarzo, turmalina, los cristales hidrosolubles, los monocristales, los semiconductores piezoeléctricos, los polímeros y los compuestos piezoeléctricos, PZT (zirconato titanato de plomo), PVFD ( Fluoruro de Polivinidileno).
MEDICIÓN DE PRESIÓN SENSORES PIEZOELECTRICOS Son dispositivos que utilizan un efecto piezoeléctrico para medir presión, aceleración, tensión o fuerza; transformando las lecturas en señales eléctricos. Acoplados a una pieza deformable. Se puede derivar una medida de fuerza a partir de la deformación. Medidas de fuerza muy rápidas: Impactos, vibraciones.
MEDICIÓN DE PRESIÓN VENTAJAS • • •
Alta sensibilidad Su señal de respuesta a una variación de presión es lineal Ligeros, de pequeño tamaño y construcción robusta.
DESVENTAJAS •
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Sensibles a los cambios en la temperatura y de experimentar deriva en el cero. Además, por encima de la temperatura de Curie (específica para cada material) desaparece el efecto piezoeléctrico. Su señal de salida es relativamente débil, por lo que precisan de amplificadores y acondicionadores de señal que pueden introducir errores en la medición.
MEDICIÓN DE PRESIÓN COMPARATIVO
MEDICIÓN DE PRESIÓN COMPARATIVO
PRINCIPIOS DE INSTRUMENTACION VIDEOS COMPLEMENTARIOS: https://www.youtube.com/watch?v=kbwkYti_n5E Fabricación de Manómetros Bourdon
https://www.youtube.com/watch?v=prYeVBMyf5k Instalación de Manómetros https://www.youtube.com/watch?v=18IvTRfbANg Generador de Energía Piezoeléctrico https://www.youtube.com/watch?v=GXl9YJAK6Xc Medición de Presión
