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Medicin de Presin A excepcin de la temperatura, la presin es la
variable ms importante que debe ser medida y controlada en los
procesos. Esta importancia puede ser comprendida fcilmente, al
apreciar que en algunos procesos, un cambio de medio grado
centgrado de temperatura, puede resultar en un cambio de presin de
65 a 90 cm de columna de agua. En estos casos, por ejemplo, el
control del proceso por medio de la presin resulta de mayor
precisin. Debe tenerse en cuenta tambin, que un importante nmero de
variables fsicas se mide utilizando como elemento primario sensores
de presin, tal es el caso de los medidores de flujo, nivel, etc. La
presin es un tipo de esfuerzo multidireccional y uniforme, actuante
en una rea unidad; se mide como fuerza por unidad de rea ejercida
en un punto.
Para el sistema C.G.S.: [ ] ( )barcmdinaP 2=
Para el sistema M.K.S.: [ ] ( )pascalm
NewtonP 2=
Tcnicamente se usa: [ ] kpascalcmfuerzakgP 100)( 2 ==
Tambin: [ ] ( ) ( )psiadapulibraP 2lg
=
Sabemos que la presin en el seno de un fluido en reposo es la
misma en todo punto al mismo nivel, y que vara slo en funcin de la
altura y del peso especifico del fluido (principios de Pascal,
Arqumedes y ley de Stevin). Por lo tanto tambin se expresa
tcnicamente la presin por la altura de una columna de lquido.
La presin puede medirse en valores absolutos o
diferenciales.
Presin absoluta: Es la medida relativa a la presin cero (vaco
perfecto).
Presin diferencial: Es la diferencia de presin entre dos puntos
de medida, o bien la diferencia entre un punto de medida y una
referencia. Se denomina presin manomtrica, a la diferencia entre un
punto de medida y la presin atmosfrica.
Presin parcial: Es la presin ejercida por un constituyente de
una mezcla de gases que no reaccionan qumicamente entre ellos. De
acuerdo con la ley de Dalton, la presin total es la suma de las
presiones parciales.
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Presin esttica: Es la presin de un fluido ejercida de manera
normal a la superficie por la que fluye el lquido.
Presin de impacto: Es la presin que un fluido en movimiento
ejerce de manera paralela a la direccin del flujo (debido a su
velocidad).
CLASES DE PRESIN
C
CB B BA
A
D DD Presin atmosf. est.
CERO ABSOLUTO
PRES
IN
Mtodos sensores La presin se detecta esencialmente mediante
elementos sensores mecnicos (membrana, tubos, fuelles, etc.), que
le ofrecen a la presin (fuerza) una superficie (rea) de actuacin.
Cuando esta fuerza no esta equilibrada por otra fuerza igual que
acta en oposicin, en la superficie opuesta del elemento sensor, se
produce una flexin. Esta flexin se traduce mediante un elemento
transductor en un desplazamiento, una deformacin, o una seal
elctrica. Aunque todos lo elementos sensores responden a un cambio
de presin diferencial a travs de ellos, los transductores pueden
ser diseados para medir presiones absolutas, diferenciales o
manomtricas.
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Pres.Ref.
Presin deReferencia
Pres.Atmosf.
Pres.Ref.
Vaco
Presin medida
La membrana Es una lmina delgada, generalmente circular, unida
continuamente alrededor de su borde. Se construye de material
delgado, caucho, neoprene, plstico, etc. cumple dos funciones
bsicas:
a) Como elemento sensor, proporcionando un desplazamiento axial
proporcional a la presin.
b) Como diafragma de aislamiento, cuando el fluido a medir es
incompatible con el sensor utilizado. Se crea una cmara de
aislacin, cuyo volumen se llena con un lquido compatible que es
quien transmite la fuerza al sensor.
Las caractersticas esenciales de la membrana estn definidas por
su constante, esta se determina
empricamente y puede representarse grficamente. En la mayora de
los casos, esta tarea se realiza para cada membrana, obtenindose en
algunos casos al ensayar el conjunto membrana transductor, la
constante del instrumento, que define las caractersticas del
conjunto.
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Presin Desplazamiento
ELEMENTOS SENSORES
El diafragma Es un similar a la membrana, que posee ondulaciones
concntricas que aumentan su rigidez, y tambin el rea efectiva de
contacto, presentan una mayor flexin que las membranas, por lo que
son usadas para mediciones de menor rango. Se fabrican en
aleaciones especiales de latn como bronce fosforoso, cobre al
berilio, o bien en acero inoxidable. Son tratados trmicamente antes
de conformadas las corrugas para aumentar el lmite elstico, y
tambin luego para eliminar todas las tensiones aportadas por el
mecanizado. Las caractersticas de un diafragma metlico dependen
de:
a) El dimetro de la cpsula. b) Espesor del material. c) Forma de
las corrugas. d) Nmero de las corrugas. e) Mdulo de la elasticidad.
f) Presin aplicada.
Esta ultima condicin (f), nos indica que la respuesta en flexin
a la solicitacin de presin es
esencialmente no lineal, ello obliga a buscar firmas de
corrugado y rangos que cumplan con una relacin: x = f(p) lo ms
lineal posible, adems de histresis y deformacin permanente
mnimos.
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Diafragma Plano Diafragma sinForma Perifrica
2h
DESPLAZAMIENTO DEL DIAFRAGMA
Diafragma conForma Perifrica
2h
Son aplicables generalmente a bajas presiones, que pueden ser
manomtricas, absolutas o diferenciales. Los rangos van desde 0,5
gr/cm2, hasta 2 kg/cm2 .
Al igual que las membranas, se usan como diafragmas de
aislamiento, para prevenir la incompatibilidad de tener fluidos de
entrada en contacto con el elemento sensor.
Fuelles
El fuelle es un elemento de una sola pieza con desplazamiento
(flexibilidad) axial, est formada por un tubo muy fino sin costura,
profundamente plegado. Los dimetros internos efectivos suelen
variar desde 4mm hasta 30 cm. Los materiales usados son
prcticamente los mismos que los descriptos para el diafragma.
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Presin Desplazamiento
ELEMENTOS SENSORES
Los parmetros que definen las caractersticas de los fuelles
son:
a) Dimetro exterior. b) Dimetro interior. c) Nmero de
convoluciones (en los pliegues). d) rea efectiva. e) Carrera mxima
por convolucin. f) Constante elstica por convolucin. g) Presin
mxima.
Por las caractersticas elsticas que lo definen, este tipo de
sensores ne se utiliza solo, sino que siempre se le pone un resorte
en oposicin a la flexin, de modo de reducir la carrera axial que de
otro modo sera exageradamente grande, atentando contra la
linealidad de la respuesta. Al igual que la membrana y el
diafragma, el fuelle tiene una constante propia, que para este caso
particular, prcticamente coincide con la constante elstica del
resorte de oposicin, por lo que suelen ser fciles de
linealizar.
Un fuelle usado en un 25% de su recorrido posible (x), y al 25%
de su rango (P), tiene una expectativa de vida en ciclos completos
(o carreras) de:
n = 108
Si en cambio se trabaja con recorridos de 80% de x, y presiones
de 80% de P, la expectativa de vida sera:
n = 5.103
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Si el fuelle debe accionar un mecanismo como el caso de un
interruptor elctrico, que requiere una fuerza F para su
accionamiento, a travs de una carrera d, la presin de accionamiento
ser:
( )Ac
KrKfdFP ++=
Donde: F = fuerza requerida D = carrera requerida para el
accionamiento Kf = constante elstica del fuelle Kr = constante
elstica del resorte de oposicin
Ac = rea efectiva del fuelle (cm2)
Tubo de Bourdon
El tubo de bourdon es un tubo curvado o trenzado, de seccin oval
o elptica, que tiene un extremo cerrado. Cuando se aplica una
presin en el extremo libre, el tubo tiende a ponerse recto. Esto
provoca una deformacin angular en el extremo cerrado en el caso de
un tubo trenzado y una deformacin curvilnea en los curvilneos. Fue
inventado en 1849 por Eugene Bourdon y patentado en 1852; aunque se
registran usos anteriores en Alemania de instrumentos basados en el
mismo principio.
La deformacin de un tubo de bourdon varia con la relacin de los
ejes mayor y menor de la elipse que forma su seccin, de la longitud
del tubo, el radio de curvatura y el ngulo total (porcin de giro),
y con la presin aplicada. Varia inversamente con el espesor de la
pared del tubo y con el modulo de elasticidad del material.
Presin
PresinGiro
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Presin
Desplazamiento
Los tubos bourdon son elementos mecnicos resilientes que
funcionan bajo carga, por lo que resulta evidente que no se deben
exceder los lmites admisibles. Esta restriccin de carga significa
una limitacin para conseguir grandes desplazamientos desde el punto
de vista de la amplitud de la escala de medicin.
Con una espira correctamente diseada y el material adecuado, la
deformacin originada por la presin es altamente repetitiva y puede
calibrarse con exactitudes que llegan al 0,1% de plena escala.
La caracterstica presin desplazamiento de un tubo de Bourdon
depende de la seccin (fig. 8). Las secciones circulares llevan a
caractersticas convexas mientras que secciones mas achatadas
proporcionan curvas cncavas.
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FormaPerfil
FormaPerfil
CARACTERSTICAS DE TUBOS BOURDON
Presin
Des
plaz
amie
nto
Carac
terst
ica Li
neal
La caracterstica de presin desplazamiento no puede extenderse
demasiado lejos. Si ocurre una elongacin excesiva a raz de una
presin que supere el lmite admisible, el material sufre una
deformacin permanente. Como consecuencia de esa deformacin, el
instrumento no puede regresar a cero al eliminarse la presin
aplicada. El mximo admisible disminuye sensiblemente cuando el
instrumento es usado para la medicin de cargas dinmicas.
16
10
B
Dial
LMITES DE CARGA
C B A
Desp
laza
mie
nto
Presin
DeformacinPermanente
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En el ejemplo de la Fig. 9 se muestra un tubo de Bourdon
helicoidal como sensor de presin y un transductor
potenciomtrico.
Boca de Presin
ConectorElctrico
Brazo de laEscobilla
Tubo deBourdon
TRANSDUCTOR DE PRESIN POTENCIOMTRICO
Cojinete deBolilla
ElementoPotenciomtrico
