Instrumentos de Medida - Medición de presión.

INSTRUMENTOS DE MEDIDA

Medida de presión.

Concepto:

La presión es una fuerza por unidad de superficie y puede expresarse en unidades tales como pascal, bar, atmósferas, kilogramos por centímetro cuadrado y psi (libras por pulgada cuadrada). En el Sistema Internacional (S.I.) está normalizada en pascal de acuerdo con las Conferencias Generales de Pesas y Medidas 13 y 14, que tuvieron lugar en París en octubre de 1967 y 1971, y según la Recomendación Internacional número 17, ratificada en la III Conferencia General de la Organización Internacional de Metrología Legal. El pascal es 1 newton por metro cuadrado (1N/m2), siendo el newton la fuerza que aplicada a un cuerpo de masa 1kg le comunica una aceleración de 1m/s2. Como el pascal es una unidad muy pequeña, se emplean también el kilopascal (1kPa=10^-2 bar), el megapascal (1MPa=1bar) y el gigapascal (1GPa=10.000bar). En la industria se u liza también el bar (1bar=105Pa=1,02kg/cm2) y el kg/cm2, si bien esta última unidad, a pesar de su uso todavía muy extendido, se emplea cada vez con menos frecuencia, en par cular en nuevas plantas.

Tabla 1.1 Unidades de presión.

En la tabla 1.1 figuran las equivalencias entre estas unidades. En la figura 1.1 se representan los instrumentos de presión, vacío y su campo de aplicación.

Figura 1.1 Instrumentos de presión y campos de aplicación.

En la figura 1.2 se indican las clases de presión absoluta o diferencial que los instrumentos miden comúnmente en la industria.

Presión absoluta que se mide con relación al cero absoluto de presión (puntos A y A' de la  figura).

• Presión atmosférica es la presión ejercida por la atmósfera terrestre medida mediante un barómetro. A nivel del mar, esta presión es próxima a 760 mm (29,9 pulgadas) de mercurio absolutos o 14,7 psi (libras por pulgada cuadrada absolutas) o bien 1,01325 bar o 1,03322 Kg/cm2  y estos valores definen la presión ejercida por la atmósfera estándar.
• Presión relativa, que es la diferencia entre la presión absoluta y la atmosférica del lugar donde se realiza la medición (punto B de la  figura). Hay que señalar que al aumentar o disminuir la presión atmosférica, disminuye o aumenta respectivamente la presión leída (puntos B' y B''), si bien ello es despreciable al medir presiones elevadas.
• Presión diferencial es la diferencia entre dos presiones, puntos C y C'.
• Vacío es la diferencia de presiones entre la presión atmosférica existente y la presión absoluta, es decir, es la presión medida por debajo de la atmosférica (puntos D, D' y D"). Viene expresado en mm columna de mercurio, mm columna de agua o pulgadas de columna de agua. Las variaciones de la presión atmosférica influyen considerablemente en las lecturas del vacío.

Figura 1.2 Clases de presión.

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.

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  ende a enderezarse y el movimiento es transmitido a la aguja indicadora, por un sector dentado y un piñón.

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 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 en el cero del instrumento.

El fuelle es parecido al diafragma compuesto, pero de una sola pieza flexible axialmente, y puede dilatarse o contraerse con un desplazamiento considerable. Los elementos primarios 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 sería de 710 mm, con una presión atmosférica de 760 mm. Si la presión atmosférica cambiase a 775 mm, el vacuómetro indicaría: 710+15= 725mm, 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.

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 de diafragma (glicerina o silicona), que llena totalmente la conexión de proceso del instrumento, cuando el fluido es altamente viscoso y obtura el elemento (tubo Bourdon, por ejemplo), o bien, cuando la temperatura del proceso es demasiado alta. Esto 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. Asimismo, se emplean sellos volumétricos de diafragma y de fuelle que contienen un líquido incompresible para la transmisión de la presión. Una rotura con escape del líquido de sello inhabilita el instrumento.

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).

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 100cm, es suficiente para bajar la temperatura desde unos 500°C a menos de 100°C. 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 25m requieren el uso de un transmisor.

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 alterna vas, bombas dosificadoras, etc.) se preverán, en fase de proyecto, manómetros con amortiguadores o, como alterna va, 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 1.2 gura un resumen de los distintos elementos mecánicos de presión.

Tabla 1.2 Elementos mecánicos de presión.

Elementos electromecanicos:

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 pos: resistivos, magnéticos, capacitivos, extensométricos y piezoeléctricos.

Los elementos resistivos están constituidos de un elemento elástico (tipo Bourdon o cápsula) que varía la resistencia óhmica de un potenciómetro en función de la presión. El potenciómetro puede adoptar la forma de un sólo hilo continuo, o bien estar arrollado a una bobina siguiendo un valor lineal o no de resistencia.

El movimiento del elemento de presión se transmite a un brazo móvil aislado que se apoya sobre el potenciómetro de precisión. Éste está conectado a un circuito de puente de Wheatstone.

Los elementos de inductancia variable utilizan el transformador diferencial variable lineal (LVDT = Linear Variable Diferencial Transformer) que proporciona una señal en c.a. proporcional al movimiento de una armadura de material magnético situada dentro de un imán permanente o una bobina que crea un campo magnético. Al cambiar la posición de la armadura, por un cambio en la presión del proceso, varía el flujo magnético. Esta variación del flujo da lugar a una corriente inducida en la bobina que es, por tanto, proporcional al grado de desplazamiento de la armadura móvil.

Los elementos de reluctancia variable se basan en el desplazamiento mecánico, debido a la presión, de un núcleo magnético situado en el interior de una o dos bobinas. Estas bobinas están conectadas a un puente de c.a. y la tensión de salida es proporcional a la presión del fluido. El sensor está conectado a un puente alimentado por una tensión alterna de frecuencias entre 1 KHz a 10 KHz. La variación de la reluctancia magnética produce una modulación de inductancia efectiva que es función de la presión del fluido.

Los elementos capacitivos se basan en la variación de capacidad que se produce en un condensador al desplazarse una de sus placas por la aplicación de presión. La placa móvil tiene forma de diafragma y se encuentra situada entre dos placas fijas.

De este modo, se tienen dos condensadores uno de capacidad ja 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.

Los elementos de galgas extensiométricas se basan en la variación de longitud y de diámetro, y por lo tanto de resistencia, que ene lugar cuando un hilo de resistencia se encuentra sometido a una tensión mecánica por la acción de una presión. Existen dos pos de galgas extensiométricas, galgas cementadas, formadas por varios bucles de hilo muy no que están pegados a una hoja base de cerámica, papel o plástico, y galgas sin cementar, donde los hilos de resistencia descansan entre un armazón fijo y otro móvil bajo una ligera tensión inicial.

La aplicación de presión estira o comprime los hilos, según sea la disposición que el fabricante haya adoptado, modificando la resistencia de los mismos.

Las galgas extensiométricas tienen una respuesta frecuencial excelente y pueden utilizarse en medidas está cas y dinámicas. No son influidas por campos magnéticos, pero presentan una señal de salida débil, son muy sensibles a vibraciones y tienen una estabilidad dudosa a lo largo del tiempo de funcionamiento.

Una innovación de la galga extensiométrica la constituyen los elementos de presión de silicio difundido. Están formados por un elemento de silicio situado dentro de una cámara conteniendo silicona que está en contacto con el proceso a través de un diafragma flexible. El sensor está fabricado a partir de un monocristal de silicio, en cuyo seno se difunde boro para formar varios puentes de Wheatstone, constituyendo así una galga extensiométrica autocontenida. Se montan en partes del instrumento protegidas contra agresiones exteriores, de tal modo que los instrumentos que las contienen, principalmente transmisores, son muy robustos y pueden trabajar durante largos períodos de tiempo sin prácticamente mantenimiento. Están unidos a aparatos digitales con microprocesador, lo que permite funciones diversas, tales como la selección de las unidades de ingeniería, autodiagnóstico, linealización perfecta de la señal de salida, sin que sean necesarias las operaciones periódicas de calibración, tipicas de los instrumentos analógicos convencionales.

Los elementos piezoeléctricos son materiales cristalinos que, al deformarse físicamente por la acción de una presión, generan un potencial eléctrico. Dos materiales tipicos 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.

Los elementos de película delgada son sensores piezoresistivos, adecuados para presiones superiores a 25 bar, que consisten en membranas cubiertas con una capa de resistencia, cuyo valor cambia con la aplicación de presión. La membrana de acero inoxidable con ene una capa de aislamiento de SiO2 de un espesor de 4-6 mm. Sobre dicha capa de resistencia y mediante un proceso fotolitográfico se cauterizan las bandas extensiométricas y se van depositando otras capas, todo ello utilizando la tecnología de película delgada. La deformación de la membrana es mínima, del orden de micras, por lo que posee buenas características dinámicas. Las bandas en número de cuatro se conectan a un puente de Wheatstone.

En la tabla 1.3 pueden verse las características de los elementos electrónicos decritos.

Tabla 1.3 Características elementos electromecánicos.

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.

En la figura 1.3 pueden verse los campos de trabajo de los elementos electrónicos de vacío.

Figura 1.3 Campos de trabajo de los elementos electrónicos de vacío. Fuente: Kurt J. Lesker

El medidor McLeod se utiliza como aparato primario de 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 de volumen conocido. La presión del gas se deduce aplicando la ley de Boyle-Mario e. Su intervalo de medida es de 1 a 10-4 mm Hg. Debido a la compresión que se realiza en la medida no puede utilizarse para vapores.

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 calibrada 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 extensiométrica o capacitivos.

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 lamento 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 mide presiones entre 10 mm Hg y 0,001 mm Hg mediante la medición de las tensiones generadas en una serie de termopares soldados a un lamento caliente expuesto al gas. El lamento alcanza una temperatura de equilibrio que viene determinada por la can dad de energía extraída del gas. A presiones más altas, más moléculas del gas chocan contra el lamento y extraen más energía que a bajas temperaturas, con lo cual aumenta la f.e.m. del termopar.

En el elemento Pirani, dos filamentos de platino (referencia y medida) forman parte de dos brazos de un puente de Wheatstone. El lamento de referencia está inmerso en un gas conocido a presión constante, mientras que el lamento de medida está expuesto al gas a valorar. Los lamentos se calientan a través del puente y se mantienen a una temperatura constante. Las moléculas del gas que chocan contra el elemento de medida extraen energía que es detectada y sustituida por el circuito de realimentación. Cubren el intervalo de presiones de 10 mm Hg a 10-5 mm Hg.

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 lamento 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 lamento caliente y el elemento de cátodo frío. Cubren el intervalo desde 10-4 y 10-9 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. Analizadores de gas residual son espectrómetros especiales de masa que se sitúan en una cámara al vacío y que trabajan en el valor de 10-4 mm Hg abs.

Los detectores de fugas son espectrómetros de masas que detectan concentraciones extremadamente pequeñas de helio en presencia de grandes cantidades de otros gases. Pueden captar fugas tan pequeñas como 10-10 Ncc/seg.

Bibliográfica:

Solé, A. C. (2010). Instrumentacion Industrial (Octava ed.). México D.F., México: Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V.