TECNOLOGÍA EN ELECTROMECÁNICA INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL PRESIÓN Por: MICHAEL LEONARDO RODRÍGUEZ POVEDA Cód.: 20910030 JOHON ALVER HIDALGO CARDONA Cód.: 20910016 JOSÉ JULIÁN BUITRAGO GUISAO Cód.: 209100xx MENÚ 1. Presión y sus unidades de medida. 2. Presión de gases. 3. Presión de líquidos. 4. Tipos de presión. 5. Métodos de medida. 6. Calibración. 7. Simbología. 8. Condiciones de selección. Salida. 1. PRESIÓN Y SUS UNIDADES DE MEDIDA. La presión esta definida como una fuerza (FN) uniformemente distribuida sobre un área dada (A) y actuando sobre ella: P = FN /A Esta fuerza puede ser ejercida por líquidos, gases o vapores, o cuerpos sólidos. La unidad de fuerza es el newton (N) definido como: 1N = 1Kg m / 2 s De la anterior definición se deriva la unidad de medida de presión, el Pascal (Pa): 1 Pa = 1N / 2 m 1 pascal equivale a la presión ejercida uniformemente sobre un área cuando una fuerza de 1 N es aplicada verticalmente a un área de un 1 m2. Como el pascal es una unidad muy pequeña se emplea normalmente: El Kilo pascal (1KPa=10-2 Bar) El mega pascal (1MPa=10 Bar) El giga pascal (1GPa=10000 Bar) En la industria se utiliza como unidad de medida de presión el bar. Otras unidades de presión son: Atmosferas, Kilogramos por centímetro cuadrado y libras por pulgada cuadrada (psi). UNIDAD BAR EQUIVALENCIAS 1 KILOGRAMO POR PSI ATMOSFERAS CENTIMETRO2 14,5 1.02 0.987 MENÚ 2. PRESIÓN DE GASES Las moléculas de un gas se pueden imaginar como pequeñas esferas en movimiento dentro de un recipiente cerrado, en este movimiento ellas se colisionan elásticamente no solo con otras sino con las paredes del recipiente, resultando en presión. Si m (Kg)es la masa de una molécula de gas , Vmed (m/S) la velocidad promedio molecular y n el numero de moléculas contenido en 1 m3, entonces la presión p es igual a: P = (1/3) (n) (m) (Vmed 2) La presión de un gas depende de: El numero de moléculas del gas. La masa de las moléculas del gas. La velocidad promedio de las moléculas del gas. Cuando un gas se calienta la velocidad promedio molecular se incrementa y por lo tanto la presión se incrementa también. La distribución de presión tiene lugar a la velocidad del sonido. Comparando con sólidos y líquidos, los gases tiene un alto nivel de compresibilidad La relación entre volumen (V) y presión corresponde a la ley de Boyle: V x P = k (constante) Donde la temperatura se asume uniforme Completando esta ley con la ley de Gay-Lussac se tiene que V/T x P = k (constante) MENÚ 3. PRESIÓN DE LÍQUIDOS Los líquidos presentan un bajo nivel de compresibilidad y para la mayoría de las aplicaciones los líquidos se asumen incompresibles. Cuando un liquido encerrado en un recipiente es presurizado, la presión se trasmite igualmente a cada punto del fluido y a las paredes del recipiente. La presión de un liquido es llamada PRESIÓN HIDROSTÁTICA. Para todo liquido en cualquier dos puntos (X1 y X2) que estén separados por una diferencia de alturas de valor h se presenta, en virtud del efecto de la existencia de una columna liquida entre ellos , una diferencia de presión que esta dada por : ∆p = p1 – p2 = ∆h x p – g Los manómetros de tubo en u, los mas antiguos instrumentos para medir presión se basan en la relación anterior como una aplicación técnica del principio de los vasos de Pascal MENÚ 4. TIPOS DE PRESIÓN 1. Absoluta. 2. Atmosférica. 3. Relativa. 4. Diferencial. 5. Vacio. 6. Sobrepresión. Los diversos tipos de presión difieren únicamente con respecto a sus puntos de referencia. MENÚ 4.1 PRESIÓN ABSOLUTA El mas inequívoco punto de referencia es cero presión. Esta es la presión del espacio vacio en el universo. Cuando una presión esta basada en este punto de referencia, es llamada presión absoluta. Para distinguirla de otros tipos de presión se acompaña por el sufijo “abs”. Tipos de presión 4.2 PRESIÓN ATMOSFÉRICA Es producida por el peso de la atmosfera que rodea la tierra hasta una altitud de 500 Km. La presión atmosférica decrece continuamente desde esta altitud hasta que prácticamente alcanza la presión absoluta. La presión atmosférica se mide mediante barómetros. A nivel del mar esta presión es próxima a 14,7 psi. Tipos de presión 4.3 PRESIÓN RELATIVA Es la determinada por un elemento que mide la diferencia entre la presión absoluta y la atmosférica del lugar donde se efectúa la medición. Tipos de presión 4.4 PRESIÓN DIFERENCIAL Es la presión resultante de la diferencia entre dos presiones. Tipos de presión 4.5 VACIO Es la diferencia de presiones entre la presión atmosférica existente y la presión absoluta, es decir la presión medida por debajo de la presión atmosférica. Esta expresada como: • • • mm de mercurio mm de agua Pulgadas de agua Tipos de presión 4.6 SOBREPRESIÓN La diferencia de presión atmosférica pe es la diferencia entre la presión absoluta y la respectiva presión atmosférica. La sobrepresión es positiva cuando la presión absoluta es mas alta que la atmosférica y la negativa es usada en el caso opuesto. Tipos de presión 5. MÉTODOS DE MEDIDA Los métodos de medida se clasifican en dos tipos dependiendo la instrumentación empleada: Los directos: Determinan la magnitud de la presión pariendo de una de las leyes básicas, obteniendo sus lecturas de estas relaciones P = FN / A ó ∆p = ∆h x p – g Los indirectos: Utilizan una deflexión elástica o un efecto eléctrico, óptico o químico para indicar la medida de presión. MENÚ 5.1 INSTRUMENTOS DE MEDIDA DE PRESIÓN DIRECTA 5.1.1 Instrumentos con columna liquida. 5.1.2 Balanzas de presión con separación de liquido. 5.1.3 Instrumentos de medición de presión tipo pistón. Métodos de medida 5.1.1 INSTRUMENTOS CON COLUMNA LIQUIDA El principio de medición de los instrumentos con columna liquida consiste en compara la presión p a ser medida con la lectura h de la columna liquida aplicando la ley : ∆p = ∆h x p – g La altura de la columna liquida h es leída en una escala graduada, la selección del liquido depende de la magnitud de la presión medida. Los líquidos comúnmente usados son: alcohol, agua y mercurio. 5.1.1 INSTRUMENTOS CON COLUMNA LIQUIDA • • • • Tubos en u. Tubo inclinado. Manómetros con varios líquidos. Manómetros de flotador. Medida de presión directa TUBOS EN U Es el mas simple manómetro con columna liquida . Los tubos en u se construyen para presiones entre 10mbar y 600 bar Instrumentos con columna liquida TUBO INCLINADO • El manómetro de tubo inclinado es usado para medir muy bajas presiones no mayores a 10 mbar. Instrumentos con columna liquida MANÓMETROS CON VARIOS LÍQUIDOS Este tipo de manómetros permite la ampliación del rango de medición ya que la medición se basa en la diferencia de las dos densidades. Instrumentos con columna liquida MANÓMETROS DE FLOTADOR Este manómetro combina las ventajas de lecturas fáciles en una escala graduada con las ventajas de una columna liquida, el flotador sigue la altura de la columna liquida y transmite al exterior. Instrumentos con columna liquida 5.1.2 BALANZAS DE PRESIÓN CON SEPARACIÓN DE LIQUIDO La presión a ser medida actúa en un área definida A y es comparada con una fuerza debido al peso G, el principio de medición de las balanzas de presión se ilustra por la Medida de campana inmersa. presión directa 5.1.3 INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN DE PRESIÓN TIPO PISTÓN Estos actúan en base a la definición básica de presión, la presión actúa en un área conocida A de un pistón sellado, generando una fuerza FN. Los instrumentos de pistón simple son utilizados para compara dicha fuerza con la fuerza de un resorte. El recorrido del resorte es una función de la presión que es leída en una escala graduada. INSTRUMENTOS DE PESO MUERTO En este instrumento la fuerza del pistón es comparada con pesos calibrados Estos equipos son utilizados en laboratorios de calibración, donde son usados como patrones. Medida de presión directa 5.2 INSTRUMENTOS DE MEDIDA DE PRESIÓN INDIRECTOS Utilizan el efecto de presión actuando en materiales o cuerpos de una cierta forma para determinar el nivel de presión. 5.2.1 Instrumentos de medición de presión con elementos elásticos. 5.2.2 Instrumentos de presión eléctricos. Métodos de medida 5.2.1 INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN DE PRESIÓN CON ELEMENTOS ELÁSTICOS Son el método actual mas importante de medición de presión. Su principio de funcionamiento consiste, en que la presión que se requiere medir es canalizada en una cámara de elementos de medición donde una o varias de sus paredes son deformadas elásticamente, en una extinción proporcional a la presión, esta deformación corresponde a la unidad de medición de la presión. 5.2.1 INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN DE PRESIÓN CON ELEMENTOS ELÁSTICOS • Tubos. • Diafragmas. • Fuelles. Medida de presión indirecta TUBOS Juega con la característica de histéresis del material usado, de esta manera cuando en un material se incrementan las tensiones , el resultado es una elongación del material, una vez retirada dicha tensión el material retornara a su valor inicial. Elementos elásticos DIAFRAGMAS Son usados para presiones de 0 a 1mbar hasta 15 bares, su punto de referencia es la deformación elástica “s” del diafragma, esta deformación se convierte en movimiento rotatorio, estos elementos presentan una resistencia mecánica alta por su forma Elementos y posición. elásticos FUELLES Cuando se aplica presión, la longitud del fuelle cambia. Dependiendo de la aplicación se puede utilizar un resorte de soporte en el interior del fuelle. Los fuelles se caracterizan por su buena linealidad y larga duración. Generalmente se utilizan en el rango Elementos desde 0 a 6 y 0 a 1000 mbar elásticos 5.2.2 INSTRUMENTOS DE PRESIÓN ELÉCTRICOS La variable física de presión es convertida en una variable eléctrica cuantificable, estos elementos utilizan un elemento mecánico elástico combinado con un transductor eléctrico que genera la señal eléctrica correspondiente, el elemento mecánico consiste en un tubo Bourdon, espiral, hélice, diafragma, fuelle o una combinación de los mismos, que a través de n sistemas de palancas convierte la presión en una fuerza o un desplazamiento mecánico. 5.2.2 INSTRUMENTOS DE PRESIÓN ELÉCTRICOS • Transmisores electrónicos de equilibrio de fuerzas. • Transductores resistivos. • Transductores magnéticos. • Transductores capacitivos. • Galgas extensiométricas. • Transductores piezoeléctricos. Medida de presión indirecta TRANSMISORES ELECTRÓNICOS DE EQUILIBRIO DE FUERZAS. En este instrumento el elemento mecánico de medición ( tubo bourdon, espiral, fuelle) ejerce una fuerza sobre una barra rígida del Instrumentos trasmisor. eléctricos TRANSDUCTORES RESISTIVOS Consisten en un elemento elástico, que varia la resistencia óhmica de un potenciómetro en función de la presión, este potenciómetro puede constar de un solo hilo continuo u Instrumentos arrollado en una bobina. eléctricos TRANSDUCTORES MAGNÉTICOS. Se clasifican en dos grupos según el principio de funcionamiento De inductancia variable De reluctancia variable Instrumentos eléctricos INDUCTANCIA VARIABLE El desplazamiento de un núcleo móvil dentro de una bobina aumenta la inductancia de esta de forma casi proporcional a la porción metálica del núcleo contenido dentro de la bobina. Transductores magnéticos RELUCTANCIA VARIABLE Consiste en un imán permanente o un electroimán que crea un campo magnético dentro del cual se mueve una armadura de material magnético. Transductores magnéticos TRANSDUCTORES CAPACITIVOS Se basan en la variación de capacidad que se produce en un condensador al desplazarse una de sus placas por aplicación de presión. Instrumentos eléctricos GALGAS EXTENSIOMÉTRICAS Se basan en la variación de longitud y de diámetros y por lo tanto de resistencia que tiene lugar cuando un hilo de resistencia se encuentra sometido a una tensión mecánica Instrumentos eléctricos TRANSDUCTORES PIEZOELÉCTRICOS Los elementos piezoeléctricos son materiales cristalinos que al deformarse físicamente por la acción de una presión, generan una señal eléctrica. Los materiales típicos son el cuarzo y Instrumentos el titanio de bario. eléctricos 6. CALIBRACIÓN 1. 2. 3. 4. Inspección. Proceso de calibración. Calculo de incertidumbre de medición. Ajustes. MENÚ 6.1 INSPECCION 1. Pruebas de verificación de estado físico. 2. Pruebas de función. Calibración 6.1.1 PRUEBAS DE VERIFICACIÓN DE ESTADO FÍSICO Inspección visual de: • La aguja de indicación • Las roscas • Los sellos • El ducto de presión • Verificar el estado de limpieza y la presencia de pintura, grasa u otras sustancias que puedan afectar el funcionamiento o indicación • Legibilidad de la escala Inspección 6.1.2 PRUEBAS DE FUNCION 1. Estanqueidad. 2. Funcionamiento de los elementos de ajuste. 3. Elementos de ajuste en posición definida Inspección 6.1.2.1 ESTANQUEIDAD al aplicar presión al instrumento se debe verificar la estanqueidad, es decir que la presión se sostenga • aplicar presión al sistema y llevar el indicador a un punto intermedio de la escala, observar si la presión desciende • Dar presión al sistema tratando de mantener la indicación en el máximo rango del indicador; observar si la presión desciende 6.1.2.1 ESTANQUEIDAD Si la presión en la indicación desciende indica que existe aire en el sistema y es necesario realizar una purga Se debe observar que no se presente fuga entre las uniones de las conexiones esta situación se debe a que existe mal sellado entre los acoples, en este caso es necesario desmontar todo el sistema y volver a realizar el montaje, teniendo especial cuidado entre las uniones Pruebas de función 6.1.2.2 FUNCIONAMIENTO DE LOS ELEMENTOS DE AJUSTE Se debe verificar el funcionamiento de los elementos de ajuste 6.1.2.3 ELEMENTOS DE AJUSTE EN POSICIÓN DEFINIDA Verificar que los elementos de ajuste tales como botones y engranajes estén posicionados correctamente. Pruebas de función 6.2 PROCESO DE CALIBRACIÓN 1. 2. 3. 4. 5. La calibración se realiza mediante comparación contra un instrumento patrón Selección del patrón. Índice de calidad de calibración. Tolerancia. Clases de exactitud. Procedimiento de calibración. Calibración 6.2.1 SELECCIÓN DEL PATRÓN El instrumento patrón puede ser : • Un manómetro a pistón • Un manómetro de exactitud fina • Un manómetro en general calibrado El error del patrón debe ser mucho menor o despreciable con respecto al error del instrumento que se esta calibrando, en la proporción de 1:10 Proceso de Calibración 6.2.2 ÍNDICE DE CALIDAD DE CALIBRACIÓN El índice de calidad de calibración Q sirve para aceptar o rechazar una calibración Q esta definida como: Q = TOL / u Donde: Tol = Tolerancia del instrumento a calibrar. U = incertidumbre del patrón utilizado para la calibración. 6.2.2 ÍNDICE DE CALIDAD DE CALIBRACIÓN Si : Q≥ 4 es aceptable Si: Q< 4 no es aceptable En todas las calibraciones que se realicen a instrumentos de presión es necesario calcular el Q. Proceso de Calibración 6.2.3 TOLERANCIA La tolerancia (TOL) se define como el error máximo del instrumento y corresponde al error de linealidad o de histéresis que puede aceptarse. TOL = (CL x RANGO)/ 100 Donde : TOL = tolerancia CL = Clase de exactitud del instrumento RANGO = Rango del instrumento Proceso de Calibración 6.2.4 CLASES DE EXACTITUD Según el error de linealidad o de histéresis porcentual respecto al rango del instrumento, los instrumentos se clasifican por grupos en las siguientes clases de exactitud: 0,1 ; 0,25 ; 0,6 ; 1,0 ; 1,6 ; 2,5 ; 4,0 6.2.4 CLASES DE EXACTITUD Para calcular la exactitud de los instrumentos se utiliza la siguiente formula: ε = % = CL = ε máx. / RANGO x 100 Para el calculo y clasificación respectiva de los instrumentos se debe tomar el mayor de los errores hallados por no linealidad o por histéresis. Proceso de Calibración 6.2.5 PROCEDIMIENTO DE CALIBRACIÓN 1. Montar el instrumento a calibrar y el patrón en el banco de prueba 2. El numero de puntos a calibrar debe estar distribuido uniformemente n toda la escala del instrumento, de acuerdo con: • Para clases 0,1 ; 0, 25 y 0,6 máximo 10 puntos • Para clases 1,0 ; 1,6 ; 2,5 y 4,0 mínimo 5 puntos. 6.2.5 PROCEDIMIENTO DE CALIBRACIÓN 3. Las mediciones tiene que cubrir toda la extensión de la escala del instrumento. 4. Realizar las mediciones de presión de manera creciente hasta alcanzar el valor máximo del rango 5. Las lecturas se deben obtener después de que el instrumento a sido golpeado levemente. 6.2.5 PROCEDIMIENTO DE CALIBRACIÓN 6. Cuando el instrumento esta en carga de presión máxima se debe esperar un tiempo no menor a diez minutos, con el fin de que se manifiesten los efectos de la histéresis 7. Realizar las mediciones de presión de manera decreciente, hasta regresar al valor de partida. 6.2.5 PROCEDIMIENTO DE CALIBRACIÓN 8. Realizar el calculo de errores: • Calculo de error de linealidad: Es la diferencia entre la lectura del instrumento a calibrar y el valor del patrón. ERROR = (Lectura del instrumento a calibrar) – (el valor del patrón). Se debe calcular los errores para los valores de subida y de bajada 6.2.5 PROCEDIMIENTO DE CALIBRACIÓN • Calculo del error por histéresis: Es la diferencia entre la indicación de presión descendente y ascendente para la misma presión de referencia aplicada. HISTERESIS = (presión descendente) – (presión ascendente) 6.2.5 PROCEDIMIENTO DE CALIBRACIÓN VALOR DEL PATRON P1 LECTURA DEL INSTRUMENTO ERRORES ASENDENTE DESENDENTE ASENDENTE DESENDENTE A1 D1 A1 – P1 D1 – P1 HISTERESIS D1 – A1 El error del instrumento será el mayor valor entre los valores calculados en cada punto ya sea por histéresis o por linealidad. 6.2.5 PROCEDIMIENTO DE CALIBRACIÓN 9. Calculado el error del instrumento se debe clasificar el instrumento de acuerdo con las clases de exactitud del numeral 6.2.4 10. Si el instrumento esta fuera de clase se requiere un ajuste. Proceso de Calibración 6.3 CALCULO DE INCERTIDUMBRE DE MEDICIÓN. Al calcular instrumentos de presión se supone que todas las magnitudes de influencia son indispensables entre si, es decir que no existe correlación entre ellas 6.3 CALCULO DE INCERTIDUMBRE DE MEDICIÓN. 6.3 CALCULO DE INCERTIDUMBRE DE MEDICIÓN. La incertidumbre de medición se compone de las tres partes UN, UV Y UK según la formula U = √ (UN2 + UV2 + UK2 ) La incertidumbre expandida es: U = K x √ (UN2 + UV2 + UK2 ) (Con K = 2) Calibración 6.4 AJUSTES 1. Ajustes de aguja o indicador. 2. Ajuste de span. 3. Ajustes por linealidad. Calibración 6.4.1 AJUSTES DE AGUJA O DE INDICADOR Se debe verificar el posicionamiento de la aguja o indicador y su ubicación con respecto a cero. Si la aguja se encuentra fuera de cero , se debe realizar un reposicionamiento de aguja retirándola con un extractor de agujas y ubicándola en su eje nuevamente. Ajustes 6.4.2 AJUSTE DE SPAN Aplicando presión hasta el rango máximo del instrumento , se debe verificar si el indicador esta posicionada por encima o por debajo del rango máximo. Ajustes 6.4.3 AJUSTES POR LINEALIDAD. Aplicar presión en la mitad de la escala del instrumento y regresar a cero. Repetir lo anterior tres o cuatro veces Si la lectura en el rango medio de la escala del instrumento esta por fuera de la clase del instrumento, se debe realizar ajustes por linealidad, acortando o alargando la distancia del tornillo que sujeta el elemento elástico o el cuadrante de unión. Ajustes 7. SIMBOLOGÍA MENÚ 8. CONDICIONES DE SELECCION 1. Condiciones técnicas. 2. Condiciones de uso. MENÚ 8.1 CONDICIONES TÉCNICAS 1. 2. 3. 4. Composición del fluido. Temperatura del fluido. Condiciones ambientales. Rango de presión. Condiciones de selección 8.1.1 COMPOSICION DEL FLUIDO Como el elemento sensor de un instrumento puede exponerse directamente al medio medido, se deben considerar las características de este medio. pueden ser corrosivo, solidificarse a varias temperaturas o mantenerse solido. Para líquidos de presión que no se solidifican bajo condiciones normales o no dejan deposititos, se puede utilizar un manómetro de tubo de bourdon de otro modo se debe utilizar un selo químico. Condiciones técnicas 8.1.2 TEMPERATURA DEL FLUIDO El vapor u otros medios calientes pueden elevar la temperatura de los componentes del manómetro por encima de los limites seguros de trabajo, en estos casos es recomendable utilizar un sifón, torre de enfriamiento o sello químico conjuntamente con el instrumento. Condiciones técnicas 8.1.3 CONDICIONES AMBIENTALES El rango normal de temperatura ambiente de los instrumentos de presión es de menos 40 grados centígrados a 71 grados centígrados para manómetros secos y de menos 20 centígrados a 60 grados centígrados para los manómetros con glicerina. Se debe tener en cuenta los efectos de la humedad y el clima, para uso externo se recomienda que los instrumentos estén en caja de acero inoxidable, bronce o plástico. Condiciones técnicas 8.1.4 RANGO DE PRESION Generalmente se debe seleccionar un rango de presión de dos veces la presión de trabajo, la presión de trabajo en todos los casos debe limitarse al 75% del rango del instrumento. Condiciones técnicas 8.2 CONDICIONES DE USO 1. Condiciones que afectan el uso del sistema. 2. Método de instalación. 3. Presión requerida. Condiciones de selección 8.2.1 CONDICIONES QUE AFECTAN EL USO DEL SISTEMA En aplicaciones que implican fluctuación o pulsación severa de la presión, se recomienda el uso de restrictores o amortiguadores, además los manómetros de liquido aumentan la vida útil en estas condiciones, estos manómetros están llenos de glicerina, silicona y halocarbon ( para uso con agentes oxidantes con cloruro, oxigeno y peróxido de hidrogeno). Condiciones de uso 8.2.2 METODO DE INSTALACION Se dispone de conexiones radiales y conexiones posteriores para la mayoría de los instrumentos. Se dispone de instrumentos con conexiones roscadas estándar NPT, roscas métricas, roscas rectas legüetas de manguera y accesorios específicos. Los instrumentos se deben instalar en posición hacia arriba Condiciones técnicas 8.2.3 PRESION REQUERIDA Se dispone de una amplia gama de instrumentos en diferentes posiciones, generalmente mientras mas precisos son los instrumentos serán mas grandes y costosos. Precaución, jamás se debe permitir el contacto entre oxigeno y aceite, debido a reacciones químicas explosivas. Condiciones técnicas