Medidores
y transductores de presión Mecánica de Fluidos M. C. Julio Cosme Pola Velázquez
Esquinca Domínguez Miguel Ángel Llaven Lara Gustavo Humberto Penagos Ballinas Héctor Miguel Trejo Espinosa Aida Alejandra
5° Semestre, curso de verano
Tuxtla Gutiérrez, Chiapas. 10 de Junio del 2013
Introducción
En cualquier área profesional que podamos encontrar hoy en día, siempre habrán problemáticas que van a requerir de la medición de distintas magnitudes, variando éstas en tipo y en dificultad. Afortunadamente, la tecnología de nuestros días ha avanzado al grado de haber creado instrumentos de medición que facilitan ésta tarea a los profesionistas y trabajadores de los distintos ámbitos laborales. La ingeniería civil no está exenta de este fenómeno, pues el ingeniero tiene como tarea tanto medir, como el conocer y saber usar la instrumentación que va a utilizar, y cuidar que sea la adecuada dependiendo de la magnitud, material o condiciones sobre las cuales va a realizar su empresa. Dentro de las magnitudes que el ingeniero civil trabajará tenemos a la presión. Anteriormente en el curso de mecánica de fluidos se ha hablado de algunas características de la presión y como calcularla, pero hasta el momento se desconoce qué instrumentos pueden medirla y cómo es que éstos funcionan. Estas interrogantes se buscan responder en el trabajo siguiente.
Medidores y transductores de presión Hay apremiante necesidad para medir la presión. Para aquellas situaciones en que solo es necesaria una indicación visual en el sitio de medición se utiliza un medidor de presión. En otros casos hay la necesidad de medir la presión en un punto y mostrar el valor en otro. El término general para un dispositivo así es el de transductor de presión, lo que significa que la presión que se detecta produce una señal eléctrica que se transmite a un lugar lejano, como alguna estación central de control, donde se presenta digitalizada. De manera alternativa la señal puede formar parte de un sistema de control automático. En esta sección descubrimos algunos de los abundantes tipos de medidores y transductores de presión.
Medidores de presión El medidor de presión de tubo Bourdon es un dispositivo utilizado con frecuencia para medir la presión. La presión que se va a medir se aplica al tubo interior aplanado el cual normalmente tiene una forma de segmento de círculo o espiral. El incremento de la presión dentro del tubo hace que se estire un poco. El movimiento en el extremo del tubo se transmite por medio de una unión que hace girar el puntero.
La escalada del medidor por lo general tiene una lectura de cero cuando está abierto a la presión atmosférica, y se calibra en pascales (Pa) u otras unidades superiores a cero. Por tanto, este medidor lee la presión manométrica en forma directa. Algunos medidores son capaces de medir presiones por debajo de la atmosférica. La figura siguiente ilustra un medidor de presión que utiliza un actuador denominado Magnehelic. El puntero está unido a una hélice hecha con un material que tiene permeabilidad magnética elevada, apoyada en rodamientos de zafiro. Un resorte de hoja es elevado hacia arriba y hacia abajo por el movimiento de un diagrama flexible, que no aparece en la figura. En el extremo del resorte hay
un elemento en forma de C que contiene un imán poderoso muy cerca de la superficie exterior de la hélice. Conforme el resorte de hoja se mueve hacia arriba y hacia abajo, la hélice gira para seguir al imán, lo que desplaza al puntero. Observe que no existe contacto físico entre el imán y la hélice. La calibración del instrumento se efectúa al ajustar la longitud del resorte en que está sujeto. el extremo por el
Transductores de presión Transductores de presión medidor de tensión
La presión que va a medirse se introduce a través de un puerto y actúa sobre un diafragma al que están unidos los medidores de presión. Conforme los medidores de tensión detectan la deformación del diafragma su resistencia cambia. El paso de una corriente eléctrica por los medidores y su conexión a una red, denominada puente Wheatstone (el puente de Wheatstone es un circuito diseñado para encontrar la resistencia), ocasiona un cambio en el voltaje eléctrico producido. El dispositivo de lectura por lo general es un voltímetro digital, presión. calibrado en unidades de
Transductores de presión tipo LVDT
Un transformador diferencial lineal variable (LVDT) está compuesto por una bovina eléctrica cilíndrica con un núcleo móvil en forma de rodillo. Conforme el núcleo se mueve a lo largo del eje de la bovina, ocurre un cambio de voltaje en relación con la posición de aquel. Este tipo de transductor se aplica a la medición de la presión al unir el rodillo del núcleo a un diafragma flexible. Para mediciones de presión manométrica se expone un lado del diafragma a la presión atmosférica, mientras que el otro lo está a la presión por medir. Los cambios de presión hacen que el diafragma se mueva, lo que desplaza el rodillo de LVDT. El cambio del voltaje resultante se registra o se indica en un medidor calibrado en unidades de presión. Las mediciones de presión diferencial se realizan con la introducción de dos presiones a los lados opuestos del diafragma.
Transductores de presión piezoeléctricos
Ciertos cristales como el cuarzo y el titanio de Bario muestran un efecto piezoeléctrico, consistente en una carga eléctrica a través del cristal varía con la tensión que se ejerza sobre él. Al hacer que la presión ejerza una fuerza en forma directa o indirecta sobre el cristal, se ocasiona un cambio en el voltaje relacionado con el cambio de presión.
La figura anterior ilustra un medidor de presión (disponible comercialmente) que incorpora un transductor de presión piezoeléctrico. Es posible que la presión o vacío se muestre en cualquiera de las 18 unidades diferentes. Con solo oprimir el botón de unidades. El medidor también incorpora una señal de calibración que indica una lectura de corriente directa en mili amperes, para calibrar en el campo los transmisores remotos. La tecla cero permite establecer en el campo la presión de referencia. Los elementos piezoeléctricos son materiales cristalinos que, al deformarse físicamente por la acción de una presión, generan una señal eléctrica. Dos materiales típicos en los transductores piezoeléctricos son el cuarzo y el titanato de bario, capaces de soportar temperaturas del orden de 150° C en servicio continuo y de 230° C en servicio intermitente. Son elementos ligeros, de pequeño tamaño y de construcción robusta. Su señal de respuesta a una variación de presión es lineal y son adecuados para medidas dinámicas, al ser capaces de respuestas frecuenciales de hasta un millón de ciclos por segundo. Tienen la desventaja de ser sensibles a los cambios en la temperatura y de experimentar deriva en el cero y precisar ajuste de impedancias en caso de fuerte choque. Asimismo, su señal de salida es relativamente débil por lo que precisan de amplificadores y acondicionadores de señal que pueden introducir errores en la medición. En la tabla que se muestra a continuación pueden verse las características de los elementos electromecánicos descritos.
En la siguiente imagen se pude apreciar un esquema de la estructura interna de los materiales piezoeléctricos. Estos, al aplicar sobre ellos una compresión,
producen dentro de ellos dipolos enfrentados en la masa y cargas de signo opuesto en las superficies enfrentadas. Al ser este efecto lineal se puede aplicar para midiendo la diferencia de potencial, medir de forma cuantitativa la presión ejercida.
Los transductores de medida de presión piezoeléctricos consisten simplemente en un trozo de uno de los materiales piezoeléctricos que le afecte directamente la presión del fluido, es decir, que este se puede proteger del medio pero siempre que esa protección no sea frente a presión. Esto hace que sirvan como medidores de presión absoluta y no comparativa, lo cual, para determinados usos es muy útil. Transductores de presión de resonador de cuarzo
Un cristal de cuarzo resuena con una frecuencia que depende de la tensión en el cristal. La frecuencia de resonancia se incrementa conforme la tensión aumenta. Por lo contrario, la frecuencia a que resuena un cuarzo disminuye con la compresión. Los puntos de frecuencia se miden con mucha precisión por medio de sistemas electrónicos digitales. Los transductores de presión aprovechan este fenómeno poniendo fuelles, diafragmas o tubos de Bourdon a los cristales de cuarzo. Tales dispositivos proporcionan mediciones de la presión con una exactitud de 0.01 % o mayor. Sensores de presión de estado sólido
La tecnología de estado sólido permite que se fabriquen sensores de presión muy pequeños elaborados con silicio. Para un sistema de tipo fuente de Wheatstone pueden ocuparse resistores de película delgada de silicio, en lugar de medidores de tensión. Otro tipo utiliza placas cuyas superficies están compuestas por un patrón grabado de silicio.
La presión aplicada en una placa ocasiona deflexión, lo que cambia la brecha de aire entre las placas. El cambio que resulta en la capacitancia se detecta por medio de un circuito oscilador.
Ejemplo del uso de medidores y transductores de presión en sólidos en la ingeniería civil En la ingeniería civil, el medidor de presión de Bourdon es utilizado en la Máquina Universal, bastante común en los laboratorios de resistencia de materiales. El reloj de Bourdon, como también se le conoce, nos indica la carga que está ejerciendo la máquina sobre el elemento que se esté evaluando. El medidor de Bourdon permite medir la carga en concretos y acero en pruebas que permiten conocer su resistencia o su flexibilidad (hechas en el laboratorio de materiales), por mencionar algunas de sus propiedades.
En máquinas universales más avanzadas, se utilizan también los transductores de presión, que transfieren la información de la máquina universal a otro punto (una pantalla o monitor digital) donde pueden obtenerse valores que nos permiten conocer mejor las propiedades de los materiales que se están probando. La prueba de ensayo de tracción (o de tensión) es usual para materiales elásticos, permite obtener límites elástico, de fluencia y de proporcionalidad, coeficiente de Poisson y el módulo de elasticidad de los materiales.
El ensayo de compresión es un ensayo técnico para determinar la resistencia de un material o su deformación ante un esfuerzo de compresión. En la mayoría de los casos se realiza con hormigones y metales (sobre todo aceros), aunque puede realizarse sobre cualquier material. Se suele usar en materiales frágiles.
La resistencia en compresión de todos los materiales siempre es mayor o igual que en tracción. Se realiza preparando probetas normalizadas que se someten a compresión en una máquina universal.
Conclusión
Los instrumentos de medición nos facilitan mucho el trabajo, y su alcance puede ser más grande del que imaginamos. Gracias a ellos muchas de las industrias que conocemos pueden funcionar correctamente y mantener a flote la producción de las naciones en el mundo. Los instrumentos para medir y transducir la presión permiten obtener productos de calidad para el mercado de una manera segura y productiva. Nuestra área, la de la ingeniería civil también le debe mucho a éste tipo de instrumentación. Como pudimos ver en el trabajo anterior, éstos instrumentos nos permiten trabajar correctamente, evitando poner en riesgo vidas humanas al momento de construir al proporcionarnos datos que nos permiten hacer varias consideraciones antes de emprender una obra. Podemos concluir diciendo que es muy importante saber cómo utilizar ésta instrumentación, conocimiento que debería ser básico para el ingeniero de hoy en día, pues no sólo nos facilitamos el trabajo, sino que nos permite hacerlo de una forma más segura, rápida, confiable y rentable, virtudes que son bien vistas en el mercado laboral para todo ingeniero civil.
Referencias
Mecánica de fluidos. Sexta edición. Robert L. Mott. Pears on Education. http://es.wikipedia.org/wiki/Esfuerzo_de_compresión http://materialesingeniria.wordpress.com/maquina-universal-para-pruebas-deresistencia-de-materiales/ Mecánica de materiales. Tercera edición. Ferdinand P. Beer, E. Russel Johnston Jr., John T. DeWolf. Mc Graw Hill.