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REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACION
SUPERIOR
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA DE MANTENIMIENTO INDUSTRIAL
ASIGNATURA: INSTRUMENTACION INDUSTRIAL
BARCELONA ESTADO ANZOATEGUI
INSTRUMENTOS PARA
MEDICIÓN DE PRESIÓN
Profesor. Realizado por: Ing José Bolívar Br. Ramos Dimara. Br. Romualdo Velásquez. Br. José Figueroa. Br. Kent Araque. Br. Luis Orozco.
Br. Luis Marcano. Barcelona, 28 de mayo de 2012 INTRODUCCIÓN. El control de la presión en los procesos industriales da condiciones de operación seguras. Cualquier recipiente o tubería posee cierta presión máxima de operación y de seguridad variando este, de acuerdo con el material y la construcción. Las presiones excesivas no solo pueden provocar la destrucción del equipo, si no también puede provocar la destrucción del equipo adyacente y ponen al personal en situaciones peligrosas, particularmente cuando están implícitas, fluidos inflamables o corrosivos. Para tales aplicaciones, las lecturas absolutas de gran precisión con frecuencia son tan importantes como lo es la seguridad extrema. Por otro lado, la presión puede llegar a tener efectos directos o indirectos en el valor de las variables del proceso (como la composición de una mezcla en el proceso de destilación). En tales casos, su valor absoluto medio o controlado con precisión de gran importancia ya que afectaría la pureza de los productos poniéndolos fuera de especificación. La presión puede definirse como una fuerza por unidad de área o superficie, en donde para la mayoría de los casos se mide directamente por su equilibrio directamente con otra fuerza, conocidas que puede 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.
INDICE
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- Presión……………………………………………………………………………… ……………………………………………………… 1.1. Elementos mecánicos…………………………………………………………… …………………….. 1.2. Elementos electromecánicos…………………………………………………… ………………. 1.3. Elementos eléctricos……………………………………………………………… ……………………. 1.4. Elementos neumáticos…………………………………………………………… ……………………
- Aplicaciones de los Instrumentos………………………………………………………………………… …………….
- Ventajas y desventajas…………………………………………………………………………… ……………………………..
- Conclusión…………………………………………………………………………… ……………………………………………………….
- Bibliografía…………………………………………………………………………… ……………………………………………………….
INDICE DE FIGURAS
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1. Figura 1. Relación matemática de Presión……………………………………………………………… 2. Figura 2. Clases de presión……………………………………………………………………………… ……….….. 3. Figura 3. Barómetro de cubeta……………………………………………………………………………… ….…. 4. Figura 4. Manómetro de tubo en forma de U…………………………………………………………. 5. Figura 5. Manómetro de tubo inclinado……………………………………………………………………. 6. Figura 6. Tubo Bourdon…………………………………………………………………………… ………………………. 7. Figura 7. Elemento en espiral y Helicoidal……………………………………………………………… 8. Figura 8. Diafragma………………………………………………………………………… …………………………………. 9. Figura 9. Fuelle……………………………………………………………………………… …………………………………….
INDICE DE TABLAS
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1. Tabla 1: Características de los elementos mecánicos………………………………………………… 2. Tabla 2: Características de los elementos electromecánicos……………………………….. 3. Tabla 3: Características de los elementos eléctricos………………………………………………….
1. Presión: Se define como la fuerza aplicada por unidad de superficie, la cual se relación de la siguiente manera. Figura 1. Relación matemática de Presión La presión puede medirse de dos maneras, la primera en términos absolutos y la segunda en términos relativos clasificándose como se muestra a continuación: Presión absoluta: se mide respecto al cero absoluto Presión relativa: respecto a la presión atmosférica 14.7 Psia (lb/in2) o 760mmHg Presión de vacío: diferencia de presiones entre la presión atmosférica y el cero absoluto Presión diferencial: diferencia entre dos presiones Presión manométrica: es la presión medida con referencia a la presión atmosférica Figura 2. Clases de presión Los elementos primarios de medición de presión son fundamentalmente de cuatro tipos: Mecánicos Electromecánicos Eléctricos Neumáticos
directa de la presión en el punto de unión y se utiliza con frecuencia para Mostar el nivel de líquidos en tanques o recipientes. Figura 4. Manómetro de tubo en forma de U Manómetro De Tubo Inclinado: usados para medir diferencias de presiones muy pequeñas, ya que estos tienen la ventaja sobre los manómetros de columna de líquido por la amplificación de la lectura. El tubo en U inclinado se utiliza porque la longitud de la altura o carga puede multiplicarse varias veces por la inclinación de la columna liquida y la escala será mas ancha. Si la lectura R se toma como se indica y R es la lectura cero. Hm estará dado por Hm = (R – R0) sen ᶿ y el calculo de (dA – dB) es de la misma forma que para el tubo en U vertical Figura 5. Manómetro de tubo inclinado 1.1.2 Los Elementos Primarios Elásticos , miden la presión por deformación que estos sufren por efecto de ellas misma. Los más empleados son: el tubo Bourdon, el elemento espiral, el diagrama y el fuelle.
El Tubo 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 tiende a enderezarse y el movimiento es transmitido a la aguja indicadora por un sector dentado y un piñón. El material empleado normalmente en el tubo Bourdon es de acero inoxidable, aleación de cobre o aleaciones especiales como hastelloy y monel. Figura 6. Tubo Bourdon Elemento En Espiral se forma arrollando el tubo Bourdon en forma de espiral alrededor de un eje común. Similar a este elemento se encuentra el helicoidal con la diferencia de que las espiras se encuentran en planos diferentes y paralelos. Figura 7. Elemento en espiral (derecha) y Helicoidal (izquierda). El Diafragma consiste en una o varias capsulas circulares, conectadas rígidamente entre si por soldadura, de tal forma que al aplicar presión entre ellas, cada capsula se deforma y la suma de los pequeños desplazamientos es amplificada por un juego de palancas. Son fabricados con aleaciones de niquel o inconel X.
Tabla 1. Características de elementos mecánicos 1.2. Elementos Electromecánicos: Estos elementos son la combinación de un elemento mecánico y elástico y un transductor eléctrico, que generara la señal correspondiente. Se clasifican de acuerdo al principio de funcionamiento, estos son: Transmisores electrónicos de equilibrio de fuerzas Resistivos Magnéticos Capacitivos Galgas extensiométricos Piezoeléctricos 1.2.1 Transmisores Electrónicos De Equilibrio De Fuerzas: para cada valor de la presión, la barra adopta una posición determinada excitándose un transductor de desplazamiento tal como un inductor de inductancia, un transformados diferencial o bien un detector fotoeléctrico. Un circuito oscilador asociado con cualquiera de estos detectores alimenta a una unidad magnética y la fuerza generada re posiciona la barra de equilibrio de fuerzas. Se completa así un circuito de realimentación variando la corriente de salida en forma proporcional a los intervalos de presiones del proceso. En la siguiente imagen se describe detalladamente el mecanismo de estos transmisores y como están compuestos
Figura 10. Transmisor eléctrico de equilibrio de fuerzas 1.2.2 Elementos Resistivos: consisten de un elemento elástico, que varía la resistencia óhmica en función de la presión, la resistencia que se obtenga mediante un puente de Wheastone, podrá asociarse casi de forma lineal con el valor de la presión. Su rango de medida varia entre 0.1 y 300 Kg/cm^2 , su precisión es de alrededor de 1.5% pero su defecto es que son altamente sensibles a las vibraciones. Figura 11. Transductor resistivo
Los transductores de reluctancia variable presentan una alta sensibilidad a las vibraciones, una estabilidad media en el tiempo y son sensibles a la temperatura. Su precisión es del orden de + 0,5 %. Ambos tipos de transductores posicionan el núcleo o la armadura móviles con un elemento de presión (tubo Bourdon o espiral) y utilizan circuitos eléctricos bobinados de puente de inductancias de corriente alterna. Figura 13. Transductores de reluctancia variable 1.2.4 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 fija 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 transductores capacitivos se caracterizan por su pequeño tamaño y su construcción robusta, tienen un pequeño desplazamiento volumétrico y son adecuados para medidas estáticas y dinámicas. Su señal de salida es débil por lo que precisan de amplificadores con el riesgo de introducir errores en la medición. Son sensibles a las variaciones de temperatura y a las aceleraciones transversales y precisan de un ajuste de los circuitos oscilantes y de los puentes de c.a. a los que están acoplados. Su intervalo de medida es relativamente amplio entre 0.05-5 a 0.5-600 bar y su precisión es de orden ±0.2 a ±0.5%
Figura 14. Transductor capacitivo 1.2.5 Galgas Extensiometricos: Se basan en un principio que establece que la resistividad de un conductor varia de acuerdo al diámetro y longitud de dicho conductor. Existen dos tipos de galgas extensométricas: galgas cementadas (fig. izquierda) formadas por varios bucles de hilo muy fino que están pegados a una hoja base de cerámica, papel o plástico, y galgas sin cementar (fig derecha) en las que los hilos de resistencia descansan entre un armazón fijo y otro móvil bajo una ligera tensión inicial. Figura 15. Galga cementada (izquierda) y galga sin cementar(izquierda) En ambos tipos de galgas, la aplicación de presión estira o comprime los hilos según sea la disposición que el fabricante haya adoptado, modificando pues la resistencia de los mismos. La galga forma parte de un puente de Wheatstone y cuando está sin tensión tiene una resistencia eléctrica determinada. Se aplica al circuito una tensión nominal tal que la pequeña corriente que circula por la resistencia crea una caída de tensión en la misma y el puente se equilibra para estas condiciones.
1.3.1 Transductores Mecánicos: trabajan de 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 1 mm Hg abs. Pueden llevar acoplados transductores eléctricos del tipo de galga extensométrica o capacitivos. 1.3.2 Transductor 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. 1.3.3 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. La presión del gas se deduce aplicando la ley de Boyle-Mariotte. Su intervalo de medida es de 5-10-5 mm Hg. 1.3.4 Transductores Térmicos: Se basan en el principio de la proporcionalidad entre la energía disipada desde la superficie caliente de un filamento calentado por una corriente constante y la presión del gas ambiente cuando el gas está a bajas presiones absolutas. El más común de estos elementos son los termopares. Figura 16. Transductor térmico (Termopar) La siguiente tabla muestra las características más importantes de los elementos electrónicos descritos brevemente en las páginas anteriores.
Tabla 3. Características de elementos electrónicos 1.4. Elementos Neumáticos: Los transmisores neumáticos se basan en el sistema tobera-obturador que convierte el movimiento del elemento de medición en una señal neumática. El 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. En la figura se presenta el conjunto. Figura 17. Elementos neumáticos Se presentaran a continuación tres ejemplos de transmisores neumáticos. Transmisor De Equilibrio De Movimientos: El transmisor de equilibrio de movimientos compara el movimiento del elemento de medición asociado al obturador con un fuelle de realimentación de la presión posterior de la tobera. El conjunto se estabiliza según la diferencia de movimientos alcanzando siempre una posición de equilibrio tal que existe una correspondencia lineal entre la variable y la señal de salida. Estos instrumentos se utilizan en la transmisión de presión, donde los elementos de medida tales como tubo de Bourdon o
