Upload
james-robles
View
279
Download
5
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Presentación sobre la variable de proceso presiónl.
Citation preview
Principios de Medida - Presión
James Robles Departamento de Instrumentación Huertas College
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
En esta presentación:
Definición de presión Unidades de Medida de Presión Ley de Pascal Ejemplos de Cálculo de Presión Elementos de Medida de Presión Pressure Gauge Explicación del “Strain Gage” Resistivo y sus circuitos Explicación del Método de Capacitancia y sus circuitos Instrumentos de medición y transmisión de presión Calibración de Elementos de Presión
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Presión es una variable física que se representa con la letra “p” (minúscula)
Presión es una fuerza ejercida por un fluído sobre un área específica:
Si existe una fuerza (1 lb.) de un fluido ejerciendo sobre un área de 1 in2, entonces la presión es de 1 lb. por pulgada cuadrada (1lb./in2), tambien conocido como psi (pound per square inch).
p = F / A p = 1 lb. ÷ 1in2
p = 1 lb./1in2
p = 1 psi
1 in 1 in
Fuerza = 1 lb.
Área = 1 in x 1 in = 1 in2
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
En Métrico:
Si existe una fuerza (1 Newton) de un fluido ejerciendo sobre un área de 1 m2, entonces la presión es de 1 N por metro cuadrado (1 N/m2), tambien conocido como pascal (Pa).
p = F / A p = 1 N ÷ 1 m2
p = 1 N/m2
p = 1 Pascal (Pa)
1 m 1 m
Fuerza = 1 N
Área = 1 m x 1 m= 1 m2
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Si el área es circular:
p = F / A p = 1 lb. / 0.79 in2
p = 1.27 psi 1 in.
Fuerza = 1 lb.
Área = .79 in.2
A =.79 in2
𝐴 = π𝑟2
𝐴 = 𝜋 0.5 𝑖𝑛 2
𝐴 = 3.14 0.25 𝑖𝑛2
𝐴 = .785 𝑖𝑛2
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
• La Ley de Pascal describe esta relación como:
Fuerza = Presión x Área F = p x A
• De esta expresión, se desprende además:
Presión = Fuerza ÷ Área p = F ÷ A
• Y:
Área = Fuerza ÷ Presión A = F ÷ p
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
FUERZA
PRESION AREA
LEY DE PASCAL
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Presión de Fluidos en Volumen
La presión estática en un volumen es igual en todas sus direcciones
P
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Presión “Gauge” vs. Presión Absoluta
Presión Barométrica
Presión Absoluta (psia)
Presión “Gauge” (psig)
Presión Atmosférica
Presión Cero Absoluto (Vacío)
Presión Bajo Atmosférica
Presión Sobre Atmosférica
Presión Absoluta (psia)
Presión “Gauge” ( - in Hg)
Existe una presión mínima que se puede considerar como un cero absoluto Es el vacío total Hay una escala que utiliza esta presión como su cero La presión atmosférica en esta escala es de 14.7 psia La otra escala, que es la mas utilizada, es la escala “gauge” Esta escala utiliza la presión atmosférica como su cero
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Niveles de Presión Atmosférica
0 psig (14.7 psia)
-0.052 psig (14. 65 psia)
8.8 psig (23.5psia)
-5.2 psig (9.5 psia)
-0.52 psig (14. 18 psia)
20 ft. de Profundidad
Nivel del Mar
100 ft. De Altitud
1,000 ft. de Altitud
10,000 ft. de Altitud
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Niveles de Presión Atmosférica
Al igual como existen presiones positivas, existen presiones negativas
Estas presiones son menor que la presión atmosférica en unidades “gauge” pero menor de 14.7 psi en la escala absoluta
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Conversión de Unidades de Presión PSI KPa in. H2O mm H2O in. Hg mm Hg Bar m Bar Kg/cm2 gm/cm2
PSI 1 6.8948 27.7620 705.150 2.0360 51.7149 0.0689 68.9470 0.0703 70.3070
KPa 0.1450 1 4.0266 102.274 0.2953 7.5006 0.0100 10.0000 0.0102 10.197
in. H2O 0.0361 0.2483 1 25.4210 0.0734 1.8650 0.0025 2.4864 0.0025 2.5355
mm H2O 0.0014 0.0098 0.0394 1 0.0028 0.0734 0.0001 0.0979 0.00001 0.0982
in. Hg 0.4912 3.3867 13.6195 345.936 1 25.4000 0.0339 33.8639 0.0345 34.532
mm Hg 0.0193 0.1331 0.5362 13.6195 0.0394 1 0.0013 1.3332 0.0014 1.3595
Bar 14.5040 100.00 402.180 10215.0 29.5300 750.060 1 1000 1.0197 1019.72
m Bar 0.0145 0.1000 0.4022 10.2150 0.0295 0.7501 0.001 1 0.0010 1.0197
Kg/cm2 14.2233 97.9047 394.408 10018.0 28.9590 735.559 0.9000 980.700 1 1000
gm/cm2 0.0142 0.0979 0.3944 10.0180 0.0290 0.7356 0.0009 0.9807 0.001 1
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Ejemplo 1: Si una columna de líquido de 6 pulgadas cuadradas pesa 23 libras, ¿Que presión ejerce sobre la base de la columna?
p = F ÷ A p = 23 lb / 6 in.2
p = 3.83 lb/in2
p = 3.83 psi
A = 3 in. x 2 in. A = 6 in.2
23 libras
3 in.
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
A = 12.56 in2
Ejemplo 2: Si una columna de líquido de 4 pulgadas de diámetro pesa 56 libras, ¿Que presión ejerce sobre la base de la columna?
p = F / A p = 56 lb / 12.56 in.2 p = 4.46 psi
56 Libras
4 in. 𝐴 = π𝑟2
𝐴 = 𝜋 2 𝑖𝑛 2
𝐴 = 3.14 4 𝑖𝑛2
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
A = 16,286 in2
Ejemplo 3: Si hay un gas a 100 psi en un cilindro de 12 pies de diámetro, ¿Que fuerza ejerce sobre los lados planos del cilindro?
100 psi 12 Ft.
F = p x A F = 100 psi x 16277.76 in2 F = 1,627,776 lbs.
A = 16277.76 in2
𝐴 = π𝑟2
𝐴 = 𝜋 72 𝑖𝑛 2
𝐴 = 3.14 5184 𝑖𝑛2
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Ejemplo 4: ¿Qué diámetro tiene un pistón que levanta un auto de 2,000 lbs. con 500 psi de presión hidráulica?
? in.
A = F ÷ p A = 2,000 lbs ÷ 500 psi A = 4 in2
500 psi
2,000 lbs.
4 in2
dia. = 2.26 in.
A = π 𝑟2
𝑟2 = 𝐴 π
𝑟2 = 4 𝑖𝑛2
3.14
𝑟2 = 1.27 𝑖𝑛2
r = 1.27 𝑖𝑛2
r = 1.13 𝑖𝑛2
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Presión de Fluidos en una Tubería
La presión estática en una tubería es igual en todas sus dimensiones
P P
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Presión de Fluidos en una Tubería
La presión dinámica puede variar dependiendo de factores como cantidad de flujo, fricción de la tubería, curvaturas y elevaciones en la tubería, válvulas u otras restricciones que tenga la línea
Menor Velocidad = Mayor Presión Mayor Velocidad = Menor Presión
Perfil del Flujo
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Elementos de Medida de Presión:
Bourdon Tube:
Utiliza principio de elasticidad de los metales.
Las curvaturas tienden a querer enderezar si se le aplica presión
Es el método mecánico más utilizado Se usa en los “Pressure Gauges” Requiere uso de transmisión
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Elementos de Medida de Presión:
Bellows:
Utiliza principio de elasticidad de los metales (Tipo acordeón).
Tiene mas presición que el Tubo Bourdon
No requiere transmisión Tiene movimiento lineal
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Elementos de Medida de Presión:
Heliciode:
Utiliza el mismo principio de los Tubo Bourdon
Es el método mecánico más preciso No requiere transmisión Es mas costoso
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Elementos de Medida de Presión:
U-Tube:
Es el método más antiguo de medición de presión
Utiliza el principio del desplazamiento de volúmen
Su presición es superior Sólo para presiones bajas Se puede utilizar para medir
presiones diferenciales
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Elementos de Medida de Presión:
Diafragma:
Se usa cuando no hay mucho espacio disponible
Tiene límites de presión Su movimiento no es lineal
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Pressure Gauge
Es el dispositivo más utilizado en medición de presión
Utiliza el Bourdon Tube en la mayoría de los casos
Otro método utilizado es el Helicoid Tube
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Pressure Gauge Data Sheet (WIKA)
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Pressure Gauge Data Sheet (Ashcroft)
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Pressure Gauge Data Sheet (3-D)
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Low Pressure Gauge (Manómetro Inclinado)
Se utiliza para medir presiones ultra-bajas
La curvatura amplifica la linealidad de la escala
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Elementos de Medida de Presión:
Strain Gage (Piezoresistivo):
Utiliza el principio de resistividad de los materiales
Se combina con circuitos electrónicos para producir señales de transmisión
No tiene límites de presión No tiene partes movibles Es el método más utilizado en los
transmisores de presión
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Elementos de Medida de Presión:
Strain Gage:
La resistencia de un conductor depende de su coeficiente de resistividad, su largo y su área seccional.
Resistencia en ohmios (Ω), Resistividad (𝜌) en ohmios ∙ in y área en circular mils (in).
Si el largo aumenta, también la resistencia. Si el área aumenta, la resistencia baja.
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Elementos de Medida de Presión:
Strain Gage:
Conductor (Cobre) 𝜌 = 0.0001325 Ω ∙ in.
L
A
Ejemplo 1: ¿Cual es la resitencia de un conductor de cobre tamaño AWG 12 y de una pulgada de largo?
𝑅 = 𝜌 𝐿
𝐴
𝑅 = .0001325 𝛺 · 𝑖𝑛1 𝑖𝑛
0.00653 𝑐𝑚𝑖𝑙
𝑅 = .0203 𝛺
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Elementos de Medida de Presión:
Strain Gage:
Si se estira el conductor, de tal manera que aumente su largo a 1.05 in., entonces aumenta su resistencia.
Conductor (Cobre) 𝜌= 0.0001325 Ω ∙ in.
L
A
𝑅 = 𝜌 𝐿
𝐴
𝑅 = .0001325 𝛺 · 𝑖𝑛1.05 𝑖𝑛
0.00653 𝑐𝑚𝑖𝑙
𝑅 = .0213 𝛺
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Elementos de Medida de Presión:
Strain Gage:
Si se comprime el conductor, de tal manera que disminuya su largo a .95 in., entonces su resistencia dismunuye.
Conductor (Cobre) 𝜌=0.0000661416 Ω ∙ in.
L
A
𝑅 = 𝜌 𝐿
𝐴
𝑅 = .0001325 𝛺 · 𝑖𝑛.95 𝑖𝑛
0.00653 𝑐𝑚𝑖𝑙
𝑅 = .0193 𝛺
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Elementos de Medida de Presión:
Strain Gage:
Entre los terminales del “Strain Gage” se mide una resistencia que cambia con la presión aplicada al conjunto de conductores.
Al aplicar presión, el largo aumenta y la resistencia también aumenta.
Terminales
Conjunto de conductores
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Elementos de Medida de Presión:
Strain Gage:
Al disminuir la presión, el largo disminuye y la resistencia baja.
Terminales
Conjunto de conductores
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Elementos de Medida de Presión:
Strain Gage:
Como recordamos de los divisores de voltaje, si RSG aumenta, también VSG.
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Elementos de Medida de Presión:
Strain Gage:
Por lo tanto, el aumento en presión al “Strain Gage” provoca un aumento en resistencia y en el voltaje que pasa por el “Strain Gage”.
↑
↑
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Elementos de Medida de Presión:
Strain Gage:
La medición de este voltaje es una señal directamente proporcional a la presión aplicada.
↑
↑
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Elementos de Medida de Presión:
Al analizar este circuito, nos damos cuenta de la aplicación en detalle.
Son dos divisores de voltaje utilizado en instrumentación, llamado “Wheatsone Bridge”.
Este circuito responde a la equación:
𝑉𝐺 = 𝑉𝑆𝑅4
𝑅3 + 𝑅4−
𝑅𝑆𝐺𝑅1 + 𝑅𝑆𝐺
Strain Gage (Wheatstone Bridge):
VG
R4
R1 R3
RSG
VS Strain Gauge
+ - +
-
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Elementos de Medida de Presión: Strain Gage (Wheatstone Bridge):
VS VG Strain Gauge
Diafragma
Presión
En el Puente Wheatstone se sustituye una resistencia con un Strain Gauge.
Este Strain Gauge está adherida a un diafragma metálico (S.S.).
Al recibir presión el diafragma, éste se deforma (se estira) y el strain gauge también, cambiando su resistencia.
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Elementos de Medida de Presión: Strain Gage (Wheatstone Bridge):
Este puente tiene dos Strain Gages , uno a cada lado de la viga o diafragma.
Esto nos da el doble del efecto al tener dos resistencias cambiando su resistencia.
R3
R4
VG
VS
R1
R2
Si no hay fuerza aplicada a la viga, R1, R2, R3 y R4 son iguales y se dice que el puente está balanceado.
El voltaje en VG será 0 Vdc. Si R1 o R2 varían, entonces el puente estará desbalanceado
y el voltaje VG cambiará.
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Elementos de Medida de Presión: Strain Gage (Wheatstone Bridge):
R3
R4
VG
VS R1
R2
𝑉𝐺 = 𝑉𝑆𝑅4
𝑅3 + 𝑅4−
𝑅2𝑅1 + 𝑅2
Si VS = 24 VDC y R1, R2, R3 y R4 son iguales:
𝑉𝐺 = 24 𝑉𝐷𝐶𝑅1
𝑅1 + 𝑅1−
𝑅1𝑅1 + 𝑅1
𝑉𝐺 = 24 𝑉𝐷𝐶𝑅12𝑅1
−𝑅12𝑅1
𝑉𝐺 = 24 𝑉𝐷𝐶1
2−1
2 𝑉𝐺 = 24 𝑉𝐷𝐶 0
𝑉𝐺 = 0 𝑉𝐷𝐶
∴
∴
⇒
⇒
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Elementos de Medida de Presión: Strain Gage (Wheatstone Bridge):
Al aplicarse una fuerza en la viga hacia abajo, R1 (Strain Gage #1) se estira y su resistencia aumenta.
Además, R2 (Strain Gage #2) se comprime y su resistencia disminuye. En este caso, el puente está desbalanceado.
VG
VS
R1
R2
R3
R4
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Elementos de Medida de Presión:
El aumento en presión provoca que R2 disminuya y que R1 aumente su resistencia.
Por lo tanto, el voltaje VG aumenta.
Strain Gage (Wheatstone Bridge):
𝑉𝐺 ↑= 𝑉𝑆𝑅4
𝑅3 + 𝑅4−
𝑅2 ↓
𝑅1 ↑ +𝑅2 ↓
VG
VS
R1
R2
R3
R4
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Elementos de Medida de Presión: Strain Gage (Wheatstone Bridge):
Al aplicarse una fuerza en la viga hacia arriba, R2 (Strain Gage #2) se estira y su resistencia aumenta.
Además, R1 (Strain Gage #1) se comprime y su resistencia disminuye. En este caso, el puente está desbalanceado.
VG
VS
R3
R4
R1
R2
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Elementos de Medida de Presión:
El decremento en presión provoca que R2 aumente y que R1 disminuya su resistencia.
Por lo tanto, el voltaje VG disminuye.
Strain Gage (Wheatstone Bridge):
VG
VS
R3
R4
R1
R2 𝑉𝐺 ↓= 𝑉𝑆
𝑅4𝑅3 + 𝑅4
−𝑅2 ↑
𝑅1 ↓ +𝑅2 ↑
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Elementos de Medida de Presión: Capacitancia:
Utiliza el principio del cómputo de capacitancia de un capacitor
Se combina con circuitos electrónicos para producir señales de transmisión
Tiene límites de presión Tiene partes movibles Es uno de los métodos más utilizado
en los transmisores de presión
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Elementos de Medida de Presión: La capacitancia de un capacitor depende del área de las
placas, la distancia y el dieléctrico del material entre éstas:
Capacitancia en Faradios, distancia en pulgadas, área en pulgadas cuadradas y dieléctrico en F/m
d
y
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Elementos de Medida de Presión: Capacitancia:
Si el área de las placas y el dieléctrico del material son constantes, entonces podremos cambiar la capacitancia al alterar la distancia entre las placas
Presión Diafragma de Medición
Placas del Capacitor Sustrato
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Elementos de Medida de Presión: Capacitancia:
Al igual que con el strain gage, el sensor de capacitancia se alimenta a través de un puente pero con la diferencia de que se suple una frecuencia conocida para que el cambio en capacitancia atenúe esta señal
Esta señal luego es rectificada para convertirlo a una señal DC estable
Oscilador Capacitor
Presión
Onda Onda Atenuada
Rectificador
Señal Rectificada
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Transmisor de Presión:
Transmisor de Presión Gauge o Absoluto:
Transmisor de Presión Diferencial:
Hay tres tipos básicos de transmisores de presión: Gauge Pressure Transmitter Absolute Pressure Transmitter Differential Pressure Transmitter
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Electrónica del Transmisor
Cámara del sensor de Presión
Puerto de Entrada de Presión
Pantalla LCD
Puerto para Cableado
Transmisor de Presión:
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Transmisor de Presión:
Serie de Transmisores de Presión Instalados en un “rack”
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Calibrador de Presión:
Transmisor de Presión:
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Calibración Elementos de Medida de Presión:
Dead Weight Tester:
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Calibración Elementos de Medida de Presión:
Manómetros de Presión:
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Calibración Elementos de Medida de Presión:
Fluke 725 y Módulo de Presión:
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Calibración Elementos de Medida de Presión:
Bombas Manuales de Generación de Presión:
Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
http://instrumentacionhuertas.wordpress.com
¿Preguntas, dudas, comentarios?