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.
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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.
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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
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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
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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)
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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.
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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.
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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.