Sensor Analógico de Presion Práctica

7/23/2019 Sensor Analógico de Presion Práctica

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1. TEMACaracterística estática de un sensor analógico de presión

2. OBJETIVOS

Aprender el comportamiento de un sensor analógico

de presión por medio de la medición y comparación

de las curvas características de la tensión y la

corriente.

3. MARCO TEORICOPRESIÓNLa presión puede definirse como una fuerza por

unidad de área o superficie, en donde para la

mayoría de los casos se mide directamente por suequilibrio con otras fuerzas conocidas que pueden

ser la de una columna liquida, un resorte, un

embolo 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, esta puede

expresarse en unidades tales como pascal, bar,

atmósferas, kilogramos por centímetro cuadrado y

psi. (Libras por pulgada cuadrada)

TIPOS DE PRESIÓNPresión AbsolutaEs la presión de un fluido medido con referencia al

vacío perfecto o cero absoluto. La presión absoluta

es cero únicamente cuando no existe choque entre

las moléculas lo que indica que la proporción de

moléculas en estado gaseoso o la velocidad

molecular es muy pequeña.

Presión AtmosféricaEl hecho de estar rodeados por una masa gaseosa

(aire), y al tener este aire un peso actuando sobre la

tierra, quiere decir que estamos sometidos a una

presión (atmosférica), la presión ejercida por la

atmósfera de la tierra. Al nivel del mar o a mas

alturas próximas a este, el valor de la presión es

cercano a 14.7 lb/plg2 (1O1.325Kpa),

disminuyendo estos valores con la altitud.

Presión ManométricaSon normalmente las presiones superiores a la

atmosférica.

La presión puede obtenerse adicionando el valor

real de la presión atmosférica a la lectura del

manómetro.

Presión Absoluta = Presión Manométrica + Presión

Atmosférica.

VacíoSe refiere a presiones manométricas menores que

la atmosférica. Los valores que corresponden al

vacío aumentan al acercarse al cero absoluto.

Figura 1: Representación de presiones

TIPOS DE MEDIDORES DE PRESIÓN

Mecánicos

Se dividen en:

Elementos primarios de medida directa: miden la

presión comparándola con la ejercida por un líquido de

densidad y altura conocidas.

Ejemplos: barómetro cubeta, manómetro de tubo en U,

manómetro de tubo inclinado, manómetro de toro

pendular, manómetro de campana.

Figura 2: Manómetro de tubo en U

Elementos primarios elásticos: se deforman por la

presión interna del fluido que contienen.



Ejemplos: Tubo de Bourdon, el elemento en espiral, el

helicoidal, el diafragma y el fuelle.

Figura 3: Tipos de tubos de Bourdon

Figura 4: Manómetro con tubo de Bourdon

Electromecánicos

Se los puede clasificar de la siguiente forma:

Transmisores electrónicos de equilibrio de fuerzas: Para este tipo de medidores se utiliza un transmisor

electrónico que genera una señal en base a la posición

de un sensor. La posición del sensor determina la

presión ejercida sobre la misma.

Figura 5: Detector de inductancias

Figura 6: Detector foto eléctrico

Transductores Resistivos: En este tipo de

Transductores se aprovecha un cambio de resistencia

(del sensor o del circuito en que esta) para medir la

presión del sistema.

Figura 7: transductor resistivo con puente de Wheaston

Transductores 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. Pueden ser de

dos tipos:

Capacidad tija

Capacidad variable

Figura 8: Transductor capacitivo.

Transductores Piezoeléctricos: Son materiales

cristalinos que, al deformarse físicamente por la acción

de una presión, generan una señal eléctrica.



Figura 9: Transductor piezoeléctrico

Neumáticos

Este tipo de medidores de presión utilizan elementos

mecánicos con desplazamiento de gases, y se los puede

nombrar de la siguiente forma:

Transmisores neumáticos: Los transmisores

neumáticos se basan en el sistema tobera-obturador que

convierte el movimiento del elemento de medición en

una señal neumática.

EI sistema tobera-obturador consiste en un tubo

neumático aumentado a una presión constante P, con

una reducción en su salida en forma de tobera, la cual

puede ser obstruida por una lámina llamada obturador

cuya posición depende del elemento de medida.

Figura 10: Mecanismo tobera – obturador

Electrónicos

Transductores Mecánicos de Fuelle y 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.

Figura 11: Manómetro de fuelle

Medidor McLeod: Se utiliza como aparato de

precisión en la 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.

Figura 12: Medidor McLeod



Tabla de comparación de los sensores de presión más

utilizados:

Tabla 1: Sensores de presión

TRANSMISOR DE PRESIÓN ANALÓGICO SDECuenta con cinco rangos de medición, con medición de

1 presión relativa, 1 presión diferencial o 2 presiones

relativas independientes, salida digital 2x PNP o 2x

NPN, indicación numérica y gráfica de la presión,

indicación en bar, psi, kPa, pulgadas de columna de

mercurio, columna de agua, diversas posibilidades de

conexión y de montaje.

Figura 13: Sensor de presión tipo SDE

4. DESARROLLOa) Ensamble el circuito neumático y el eléctrico

indicado en la figura.

Figura 14: Esquematización del circuito neumático y eléctrico de la práctica

b)

A través de la unidad de mantenimiento, regulamos

la presión de entrada a los transmisores desde 0 a 4.5

BAR, en intervalos de 0.5 aproximadamente.

Comprobamos esos valores a través de la lectura del

transmisor SDE3‐D10D‐B‐HQ4‐2P‐M8, que

presenta en su display directamente el valor de la

presión aplicada.

P(bar)

0

1,08

1,65

2,04

2,6

3,22

3,71

4,014,5

Tabla 2: Valores de presión tomada en el sensor SD3

c)

Anote los resultados obtenidos del voltaje y la

corriente entregados por el transmisor SDE‐10‐

10V/20 mA.

P(bar) v(v) I(mA)

0 0 0

1,08 1,17 2,3

1,65 1,75 3,49

2,04 2,15 4,3

2,6 2,71 5,38

3,22 3,3 6,57

3,71 3,86 7,5

4,01 4,12 8,23

4,5 4,58 9,15

Tabla 3: Valores de voltaje y corriente obtenidos en el sensor SDE ‐ 10‐

10V/20 mA mediante los multímetros.

d)

Grafica de las curvas características gráficas

Presión‐Voltaje y Presión Corriente



Características estáticas de la curva V vs P

Figura 15: Gráfica de la curva característica V vs P

Ecuación de la característica estática de la curva de

los datos de entrada (presión) Vs los datos de salida

(voltaje) realizada con los datos prácticos tomados

por el sensor: v = 1,0163P + 0,051

Rango

P: [0; 4.5] (bar)

V: [0; 4.58] (V)

Alcance

Span P = 4.5 – 0 =4.5 (bar)

Span V = 4.58 – 0 =4.58 (V)

Sensibilidad

Características estáticas de la curva I vs P

Figura 16: Gráfica de la curva característica I vs P

Ecuación de la característica estática de la curva

de los datos de entrada (presión) Vs los datos de

salida (Corriente) realizada con los datos

prácticos tomados por el sensor:

i = 2,0183P + 0,0981 Rango

P: [0; 4.5] (bar)

I: [0; 9.15] (A)

Alcance

Span P = 4.5 – 0 =4.5 (bar)

Span i = 4.58 – 0 =9.15 (A)

Sensibilidad

5. APORTES PERSONALES

Tipos de medidores de presión en la industria:

Medidores de presión de columna de líquido:

Manómetro de tubo en U: Consiste en dos tubos

traslúcidos de misma sección transversal que estánconectados por su parte inferior. Dentro del tubo se

coloca un líquido de mayor densidad que el fluido

del proceso a medir.

Figura 17: Esquema de manómetro de tubo en U.

Manómetro de pozo y vaso alargado: Es una

modificación del manómetro de tubo en U en

donde uno de los tubos tiene una sección

transversal de mayor área que la otra. Esto permite

realizar la lectura de la presión directamente con la

posición del líquido en el tubo de área menor, con

mayor precisión y con mayor rango de precisión.

v = 1,0163P + 0,051

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

0 1 2 3 4 5

v ( V )

P(bar)

V vs P Linear (V vs P)

y = 2,0183x + 0,0981

0

1

2

3

4

5

6

7

89

10

0 1 2 3 4 5

I ( m A )

P(bar)

I vs P Linear (I vs P)



Figura 18: Esquema de manómetro de pozo.

Manómetro de pozo y vaso inclinado: Es una

variación del manómetro de pozo y vaso alargado

con la diferencia de que el vaso alargado con el fin

de que el desplazamiento en el mismo sea mayor

que el de uno vertical, todo esto con el objetivo demejorar la precisión del instrumento.

Figura 19: Esquema de manómetro de pozo y tubo inclinado.

Manómetro de anillo de balanceo: Este medidor

utiliza el efecto del cambio de nivel de fluido

manométrico por efecto de la presión junto con un

balance de fuerzas ejercidas por el peso del líquido

y un contrapeso. La diferencia con el manómetro

de tubo en U es que la medición en este dispositivo

se realiza en grados en vez de realizarlalinealmente.

Figura 20: Esquema de manómetro de anillo de balanceo.

Manómetro de campana invertida: Este

instrumento utiliza el líquido solamente como

elemento de sello, mientras que la medida de

presión se realiza por un balance de fuerzas entre

la presión ejercida por el proceso por el área sobrela cual actúa. La fuerza que compensa la presión es

la de un elemento conocido como por ejemplo un

resorte o una campana.

Figura 21: Esquema de manómetro de campana invertida.

Sensores de presión:

Tubo de Bourdon: Consiste en tubos en forma de

c o en espiral de sección transversal achatada como

la de la figura:

Figura 22: Esquema de la sección transversal de un tubo de Bourdon.

Su funcionamiento se basa en su característica de

desdoblarse cuando se ejerce una presión interna

dentro de ellos. Esta deformación es relacionada

con la presión ejercida para caracterizar el sensor.



Figura 23: Esquema de un tubo de Bourdon.

El tubo de Bourdon puede ser fabricado de los

siguientes materiales:

Grupo 1.- Aleaciones endurecidas por

deformación:

Latón

Bronce fósforo

Bronce silicio Acero inoxidable

Monel

Grupo 2.- Aleaciones endurecidas por

precipitación:

Cobre + berilio

Monel K

Iconel K

Grupo 3.- Aleaciones con tratamiento térmico:

Acero ANSI 4130

Acero ANSI 8630

Acero ANSI 403

Acero inoxidable

Diafragma: Es un disco que puede ser metálico o

no al cual se le han corrugaciones circulares

concéntricas y que se acopla en una caja en la que

se introducen dos presiones diferentes.

Figura 24: Tipos de diafragmas.

El diafragma metálico se deforma con la presencia

de un diferencial de presión, esta deformación es

estudiada con la formas de la elástica de una viga

doblemente empotrada y al medir la deflexión en el

centro del diafragma se puede establecer una

relación con la presión.

El diafragma no metálico obviamente no presenta

las mismas características deformativas de unmetal por lo que se mide la fuerza a través de un

resorte acoplado al sistema.

Fuelle: Este elemento consiste en un tubo de

material flexible con uno de sus extremos

empotrado y conectado al proceso al cual se

requiere medir la presión.

Para producir flexibilidad del tubo se hacen

corrugaciones sobre las paredes del tubo de manera

que trabaje como un resorte helicoidal.



Figura 24: Tipos de fuelles.

Rango de los sensores de presión:

Sensor RangoTubo de Bourdon 0 a 70000

Diafragma 0 a 5500

Fuelle 0 7000Tabla 4: Rangos de sensores de presión.

6. CONCLUSIÓN Se concluye que la ecuación que rige la curva

característica estática V vs P es

v = 1,0163P + 0,051

El rango de la curva característica estática de V

vs P es:

P: [0; 4.5] (bar)

V: [0; 4.58] (V)

Mientras que la medida del Spam de la curva

característica estática V vs P es:Span P = 4.5 – 0 =4.5 (bar)

Span V = 4.58 – 0 =4.58 (V)

La sensibilidad es la pendiente de la ecuación

de la curva característica estática V Vs P, y su

valor es de:

S=1.0163

Se concluye que la ecuación que rige la curva

característica estática I vs P es

v = 2,0183P + 0,0981

El rango de la curva característica estática de I

vs P es:

I: [0; 9.15] (I)

Mientras que la medida del Spam de la curva

característica estática I vs P es:

Span P = 4.5 – 0 =4.5 (bar)

Span I = 4.58 – 0 =9.15 (A)

La sensibilidad es la pendiente de la ecuación

de la curva característica estática I Vs P, y su

valor es de:

S=2.0183

7. RECOMENDACIONES

Se recomienda tomar más valores en la práctica

para así obtener más puntos en la gráfica de las

características para así poder analizarlas de una

manera más precisa.

Se recomienda realizar una excitación en

descarga para poder observar si el sensor posee

histéresis en cualquiera de las dos salidas.

8. BIBLIOGRAFIASoisson, H. E. (1980). Instrumentación industrial.

Limusa

Harper, G. E. (2000). El ABC de la

instrumentación en el control de procesos

industriales. Editorial Limusa.

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