Instrumentación Instrumentac ión Industrial. Guía 5
1
Facultad: Ingeniería Escuela: Electrónica Asignatura: Instrumentación Industrial Lugar de ejecución: Instrumentación y Control (Edificio 3, 2da lanta!
Tema: Medición de Presión "#jeti$o "#jeti$o %eneral •
Evaluar dos métodos para medir presión por medio de sensores piezorresistivos
"#jeti$os "#jet i$os Esec E secíficos íficos • • • •
Armar el circuito y calibrar el rango de medición para la presión de líquido. Medir la presión de líquido y gas con sensores de presión piezorresistivos y compararla con los valores calculados alibrar el sensor de presión para el control de nivel de llenado y controlar su linealidad. Analizar la curva característica de los transductor!acondicionador de se"ales usados para medir la presión del liquido y gas.
&aterial y E'uio • • • • • • • • • • • • • • • •
# $uente de Alimentación %&!#' ( )*+,',-!-/ # (olta0e de 1e2erencia )*+,',3!'A/ # Ampli2icador de potencia )*+,',3!45/ # 1ecept6culo con bomba )*+,',3!78/ # Tanque Tanque de llenado )*+,',3!79/ # onvertidor de presión a volta0e )*+,','!4/ # 8o0a transparente graduada para el tanque )*+,',3!7;/ # 1egla de ,< cms ## Puentes =ucas >?lle # Multímetro digital # $uente de alimentación (eneta de %&! #@( # $uente de alimentación %@( # Tar0eta B,' de Electrónica (eneta # able C> , ables de coneDión (eneta # nidad de procesamiento de Presión T ,'& E( (eneta (eneta
Introducción eórica =a presión esF adem6s de la temperaturaF la variable de la 2ísica m6s importante y se de2ine como una 2uerza $ que se distribuye uni2ormemente sobre un 6rea A.
Instrumentación Industrial. Guía 5
2
p
F Ecuación # A
=
e la unidad de la 2uerzaF el >eGton >F resulta directamente la unidad de la presión Pascal HPaI
# Pa J
#
N m
2
Ecuación @
n nombre para el megapascal HMPaI es el KbarL # bar J #<< <<< Pa J <.# MPa Esta unidad es muy pr6ctica debido a que equivale aproDimadamente a la presión atmos2érica. Cgual de pr6ctico resulta en la técnica de medición el milibar HmbarI: # mbar J #<< Pa J <.<<# bar =as di2erentes clases de presión se di2erencian solamente por su punto de re2erencia. El punto de re2erencia m6s obvio es la presión cero en un vacío absoluto. =a presión que se re2iere a este punto se llama presión absoluta Pabs. =a presión atmos2érica P Hsubíndice para barométricoI est6 su0eta a 2luctuaciones clim6ticas. A nivel del mar tiene un valor medio de #<#,.@' mbares Hpresión normal segNn la norma C> #,,I. Para tasaciones se puede usar P J # bar. Técnicamente la presión m6s medida es la di2erencia de presión atmos2érica. Esta di2erencia es el valor entre presión absoluta y presión atmos2érica absoluta respectiva H$igura #I.
$igura #. =as di2erentes clases de presión. ependiendo de la magnitud de la presión absoluta obtenemos la sobrepresión Psob Hla presión absoluta es m6s grande que la presión atmos2éricaI o una subpresión Psub Hla presión absoluta es m6s peque"a que la presión atmos2éricaI. *egNn la $igura #:
Instrumentación Industrial. Guía 5
P#sob J P#abs ! P P@sub J P ! P@abs
3
Ecuación , Ecuación
=a di2erencia entre dos presiones p# y p@ se llama di2erencia de presión Op. En casos de medición donde sea relevante la di2erencia de presión ablamos de Kpresión di2erencialL. *i se eDpone un líquido en un recipiente cerrado a una presión se reparte esta uni2ormemente para todos los lados. Esta presión en los líquidos se llama presión idrost6tica. omo la masa de líquidos no puede ser ignoradaF causa su 2uerza de peso una presión adicional. Este valor se de2ine por la altura de la columna de líquido y su densidad de masa segNn la ecuación: P = Δh·ρ·g
Ecuación '
PROCESO DE PRESIÓN
+bserve la $igura @ en la que se muestra la nidad de procesamiento de presión T,'&E( que se utiliza 0unto con la tar0eta B,' de (eneta. ica unidad consta de un depósito de proceso y de un compresor accionado por un motor eléctricoF cuya 2unción es la de suministrar el gas Hen este caso el aireI necesario para obtener cierto nivel de presión estable. El actuador est6 constituido por una v6lvula proporcional controlada eléctricamente y montada en la línea de descargaQ mientras que el transductor de presiónF cuya 2unción es la de suministrar la se"al de retroalimentaciónF se encuentra al lado del depósito. =a unidad est6 también provista de un manómetro para la medición de la magnitud controlada. na v6lvula estranguladora controlada manualmente Hpuesta también al lado del depósitoI permite producir variaciones de KcargaL de presión. Por NltimoF ay una v6lvula de m6Dima presión Hmontada en la línea de suministro del aireI que impide que la presión alcance valores peligrosos dentro del depósito y del bloque compresor. El campo de presiones admitido por la unidad T,'&E( es de < a @ ar
$igura @. nidad de procesamiento de Presión.
4
Instrumentación Industrial. Guía 5
)rocedimiento PARTE I: CALIBRACIÓN DEL RANGO DE MEDICIÓN.
$igura , 1ecipiente de llenado. na columna de líquidoF en un tanque de llenadoF sirve en este caso como variable de presión. Mediante una bomba es posible llenar el tanque a di2erentes nivelesF $igura ,. =a velocidad de llenado también puede regularse. =a perilla de entrada tiene dos puntos marcadosF ro0o y verde. *i el punto ro0o se encuentra aba0o signi2ica que la entrada en el 2ondo del tanque est6 bloqueada y solamente entra el líquido por el ori2icio superior. =a perilla de salida también dispone de puntos de marcación. El punto ro0o indica que est6 cerrado. =os di2erentes tama"os del punto verde indican la velocidad de vaciado. #. e0e la perilla de entrada con el punto verde arriba y ro0o aba0o al 2rente y la de salida con el punto ro0o al 2rente. El sensor de presión es un sensor piezorresistivo de sobrepresión con la gama de < a @< mbares. Por medio de un convertidor P&( da un volta0e proporcional A proporcional a la presión. Es posible regular el volta0e con un potenciómetro entre los límites < a #<( para adaptar el valor al rango de medición. Para impedir el contacto del sensor con el líquido es necesario conectar este con un tuboF que se introduce en el líquidoF por medio de una manguera. El líquido sube en el tubo igual que el nivel de llenado. =a presión medida es proporcional a la di2erencia de altura Oh del líquido en el tubo en la $igura ,. =a presión del líquido puede calcularse segNn la relación de la ecuación ': P = Δh·ρ·g
Tenga en cuenta que la columna del aire se comprime en el tubo y la manguera durante el proceso de medición.
Instrumentación Industrial. Guía 5
5
@. onecte los equipos segNn la $igura F reduzca al mínimo la perilla del volta0e de re2erencia y coloque el regulador de la bomba en su posición m6Dima.
$igura . Monta0e y coneDión del equipo. ,. AsegNrese que el tubo de medición este dentro del ori2icio indicado y que también este 2i0ado en el ori2icio in2erior del tanque. . Encienda el equipoF aumente lentamente la perilla del volta0e de re2erencia asta que se active la bomba y se empiece a llenar el tanqueF de0e que se llene un poco y luego reduzca la perilla del volta0e de re2erencia otra vez al mínimo y abra la v6lvula de salida del tanque Hcualquier punto verde al 2renteI. '. uando se vacíe por completoF cierre la v6lvula de salida Hpunto ro0o al 2renteI y regule el punto cero del convertidor P&(F si el tanque esta vacío la presión convertida a volta0e debe de dar
T si es necesario. 3. Monte la escala graduada en el tanque. Aumente el volta0e de re2erencia asta que el tanque se llene asta aproDimadamente #'< mm sobre el 2ondoF reduzca el volta0e de re2erencia al mínimo al llegar a esa altura. *e comprobar6 el siguiente 2actor de conversión: F U J <.<<' (&Pa H#( S @<
6
Instrumentación Industrial. Guía 5
$igura '. alibración -. etermine Oh después de un tiempo y calcule la presión P. O J m P = h⋅⋅g J Pa HgJ7.-#m&s@ y para la densidad a @
⋅
##. *i no coincide regule este volta0e en el convertidor P&( con el potenciómetro KBainL Hganancia I. Así queda calibrado el indicador con el valor #( J @<< Pa. El convertidor da una se"al de salida lineal. PARTE II: MEDICIÓN DE LA PRESIÓN DE FLUIDO.
#. =lene el tanque asta la altura 8 J #'< mm. @. 1egule con la perilla de vaciado di2erentes niveles de llenado en pasos de #< mm y lea el valor de OhF $igura 3.'F y en el multímetro el valor U A. Anote los valores en la Tabla #. 8 A Δh Pmed Pcalc mm (oltios mm Pa Pa #'< #< #,< #@< ##< #<< 7< -< 4< 3< Tabla #. Mediciones de presión en líquido. ,. etermine con el volta0e la presión medida usando la calibración de #( J @<
Instrumentación Industrial. Guía 5
7
. alcule luego la presión tomando la di2erencia de altura Oh en la relación: P CALC = h⋅⋅g Anote los valores en la tabla y evalNe los resultados. '. Apague la 2uente y desconecte el circuito. PARTE III: MEDICIÓN DE LA PRESIÓN DE GASES. 1.
En esta parte se utilizar6 el sistema de la $igura @ y el módulo TB,' de electrónica (eneta. Alimente el circuito con %&!#@( y también conecte la alimentación de potencia de @ (
@. EDamine el circuito acondicionador de se"ales del sensor de presión piezorresistivo. ,. oloque la perilla del set point de presión a la mitad de la escala y conecte su salida Hborne @I con la entrada del ampli2icador de potencia de la v6lvula proporcional Hborne #I y la salida de la v6lvula proporcional a los conectores correspondientes en la unidad de procesamiento de presión T ,'& E( (eneta . onecte con un cable C> la salida del transductor de presión de la unidad de procesamiento de presión T ,'& E( (eneta a la entrada del acondicionador de se"ales de la tar0eta B,' Hpunto PPTI. '. AsegNrese de que la unidad de procesamiento de presión T ,'& E( (eneta este apagada y la v6lvula de estrangulamiento abierta Hver $igura 3I.
$igura 3. 3. Encienda todas las 2uentes de alimentación y luego la unidad de procesamiento de presión. 7.
ierre completamente la v6lvula de estrangulamiento Hver $igura 3IF ver6 en el manómetro que la presión aumenta r6pidamenteF en cuanto llegue a @.< bar apague la unidad de procesamiento de presión T ,'& E(.
-. Mida la tensión a la salida del sensor Hentre los bornes #- y #7I y a la salida del circuito acondicionador Hborne @# y tierraIF anote los valores en la Tabla @. 7. Para los siguientes valores de presión que pide la tablaF abra la v6lvula de estrangulamiento lentamente asta que la presión ba0e al valor deseadoF luego ciérrela y realice las mediciones del paso -F asta completar la tabla.
Instrumentación Industrial. Guía 5
8
P ar @.< #.#.3 #. #., #.@ #.< <.<.3 <. <., <.@ <.<
*A=CA *E>*+1. (oltios
*A=CA A+>. (oltios
Tabla @. Medición de presión en gas. #<. Traslade dicos valores sobre una gr62ica y trace la curva que m6s se aproDima a los puntos obtenidosQ dica curva constituye la denominada curva característica del transductor! acondicionador. ##. Apague la 2uente de alimentación y desconecte el equipo y dé0elo ordenado.
An*lisis de +esultados #. Analice los datos de las tablas # y @F obtenga las gr62icas usando regresión lineal y determine que tan bien se apegan los datos a la curva calculando la linealidad. @. ompare los dos sensores Hcon todo y su acondicionadorI y eDplique cu6l tiene me0or linealidad ,. W5ué puede decir acerca de las mediciones ecasF principalmente en los valores m6s ba0osF y a qué se debe este e2ectoX . Wu6l es la razón por la que el circuito de la parte CCC utiliza los cristales piezorresistivos en puenteX
In$estigación Comlementaria #. Cnvestigue cu6l es el sensor usado para la medición de nivel de líquidos en la Tar0eta T,
i#liografía •
Medición de Presión =lenado y audal. CMT . *+ '#34!@5 =A* >Y==E
•
Tar0eta B,'&E(: T1A>*T+1 +>T1+= E P1E*CZ> TeDto teórico eDperimental código TB,' Electrónica (eneta [ C>E= *PA
Instrumentación Industrial. Guía 5
9
-oja de cotejo: .
%uía .: &edición de )resión Alumno:
&a'uina 1o:
/ocente:
%L:
Fec0a:
EVALUACION % CONOCIMIENTO
@'\
APLICACIÓN DEL CONOCIMIENTO
4<\
ACTITUD
@.'\
@.'\
TOTAL
#<<\
1-4
5-7
8-10
onocimiento de2iciente de los 2undamentos teóricos
onocimiento y eDplicación incompleta de los 2undamentos teóricos
>o ace o no realiza ! An6lisis de los datos con la ayuda de gr62icos ! omparación de los dos métodos de medición de presión
1ealización incompleta de: ! An6lisis de los datos con la ayuda de gr62icos ! omparación de los dos métodos de medición de presión Participa ocasionalmente o lo ace constantemente pero sin coordinarse con su compa"ero 8ace un uso adecuado de los recursosF respeta las pautas de seguridadF pero es desordenado.
onocimiento completo y eDplicación clara de los 2undamentos teóricos Presenta an6lisis completos y correctos
Es un observador pasivo
Es ordenadoQ pero no ace un uso adecuado de los recursos
Participa propositiva e integralmente en toda la pr6ctica 8ace un mane0o responsable y adecuado de los recursos con2orme a pautas de seguridad e igiene.
No!
