Medición de Presión

Analizar las características de los elementos primarios de la medición de presión, mecánicos y eléctricos. La **presión** es una fuerza por unidad de área o superficie y se puede expresar en unidades tales como kg/cm2, psi (libras por pulgada cuadrada), bar, atmósferas y pascal (newton por metro cuadrado, N/m2).

Existen muchas razones por las cuales en un determinado proceso se debe medir presión. Entre estas se tienen:

• Calidad del producto, la cual frecuentemente depende de ciertas presiones que se deben mantener en un proceso.
• Por seguridad, como por ejemplo, en recipientes presurizados donde la presión no debe exceder un valor máximo dado por las especificaciones del diseño.
• En aplicaciones de medición de nivel.
• En aplicaciones de medición de flujo.

En seguida se muestra una tabla de equivalencias.

La presión la podemos medir en valores absolutos o valores diferenciales. Las diferentes clases de presión que se pueden medir son:

Presión Absoluta

Medida que se realiza con relación al cero absoluto.

Presión Atmosférica

Es la presión ejercida por la atmósfera terrestre. A nivel del mar equivale a 760 mm de mercurio (Hg) o 14.7 psia.

Presión Relativa

Que es la diferencia entre la presión absoluta y la atmosférica del lugar donde se realiza la medición.

Presión Diferencial

Es la diferencia entre dos presiones.

Vacío

Es la diferencia de presiones entre la presión atmosférica existente y la presión absoluta. Los instrumentos de presión se clasifican en tres grupos: mecánicos, neumáticos, electromecánicos y electrónicos, que va en relación directa con el tipo de transductor que utilicen.

Elementos Mecánicos para la Medición de Presión

Para una medición directa:

• Barómetro de cubeta. Campo de medida 0.1-3 m cda
• Tubo en U. Campo de medida 0.2-1.2 m cda
• Tubo inclinado. Campo de medida 0.01-1.2 m cda
• Toro pendular. Campo de medida 0.5-10 m cda
• Manómetro campana. Campo de medida 0.005-1 m cda

Para una medición indirecta con dispositivos elásticos:

• Tubo de Bourdon tipo C. Campo de medida 0.5-6000 bar
• Tubo de Bourdon en espiral. Campo de medida 0.5-2500 bar
• Tubo de Bourdon Helicoidal o en espiral. Campo de medida 0.5-5000 bar
• Diafragma. Campo de medida 50 mm cda-2 bar
• Fuelle. Campo de medida 100 mm cda-2 bar
• De Presión absoluta. Campo de medida 6-760 mm de Hg abs
• Sello volumétrico. Campo de medida 3-6 bar

La mayoría de los medidores de presión miden la diferencia entre la presión de un fluido y la presión atmosférica local. Para pequeñas diferencias de presión, es utilizado directamente un tubo en forma de U, con un extremo conectado al recipiente que contiene el fluido y el otro extremo conectado a la atmósfera. La diferencia entre los niveles del líquido en ambas ramas indica la diferencia entre la presión del recipiente y la presión atmosférica local. También para la medición de presiones relativamente pequeñas se pueden utilizar elementos como Barómetros de cubeta, Tubo inclinado, Toro pendular o manómetros de campana; todos estos elementos son dispositivos que van acoplados directamente al recipiente que contiene el fluido.

Para diferencias de presión mayores se utilizan los elementos conformados por los tubos de Bourdon. Este está formado por un tubo hueco de sección ovalada curvado en forma de gancho (tipo C.)

Elementos Electromecánicos

Se basan en la transformación de algún desplazamiento mecánico en una respuesta eléctrica.

Resistivos

La conversión más simple consiste en unir mecánicamente el sensor al eje de un potenciómetro de modo que el desplazamiento se convierte en una variación de resistencia. El intervalo de medida corresponde al elemento sensor que utiliza (Bourdon, fuelle, diafragma, etc.) y permiten una precisión del orden del 1 al 2 %.

Magnéticos

Estos pueden ser de inductancia variable o de reluctancia también variable. Y se basan en que al desplazar un núcleo móvil dentro de una bobina aumenta la tensión inducida en el arrollamiento secundario. Tiene la ventaja de no producir rozamientos, de proporcionar una respuesta lineal, pequeño tamaño, construcción robusta y casi no requiere ajuste crítico durante el montaje. Permite precisiones del orden del 1%.

Capacitivos

Consta de dos membranas exteriores y un fluido en contacto con diafragma sensor, situado entre las dos armaduras de un condensador. El fluido transmite la presión soportada por las membranas al diafragma, el cual de desplaza hacía un lado o hacía otro proporcionalmente a la presión diferencial. Esto hace que varíe la constante dieléctrica entre las placas del condensador. Se caracteriza por su pequeño tamaño, construcción robusta, es sensible a las variaciones de temperatura y a las aceleraciones transversales. Permiten precisiones del orden del 0.5 % hasta el 0.2 %.

Galgas Extensiométricas

Al someter una banda a presión, varia su longitud y su diámetro y en consecuencia su resistencia eléctrica. Para medir dicha variación en la resistencia se conecta la galga a un puente de Wheatstone. Se suelen conectar 4 (2 a tensión y 2 a compresión) y a la misma temperatura, para evitar cambios en R que no se deban a la deformación. Se caracterizan por su pequeño tamaño, construcción robusta, es sensible a las variaciones de temperatura y a las aceleraciones transversales. Permite precisiones del orden del 0.5 % hasta el 0.2 %.

Piezoeléctricos

Se basa en el hecho de que al recibir una presión un material piezoeléctrico (como el cuarzo o el titanio de bario) y deformarse físicamente, genera una señal eléctrica.

Medición de Caudal

Un fluido puede ser líquido o gaseoso. El **caudal** o **flujo** es la cantidad de fluido que circula por un conducto en un tiempo determinado. Esta cantidad de fluido se puede medir ya sea midiendo la masa de fluido por unidad de tiempo (Qm) o el volumen por unidad de tiempo (Qv). Para transportar los fluidos de un lugar a otro dentro de una planta o proceso se utilizan sistemas de tubería. Esto con el fin de que los líquidos o gases lleguen apropiadamente a donde se les requiere con las características de presión, temperatura y cantidad necesarias para el proceso.

Existen varios factores por los cuales debemos monitorear el fluido en una planta o proceso. Por ejemplo, para una industria química que emplea elementos químicos para fabricar otros compuestos más complejos, entonces las cantidades de los elementos deben ser precisas en cuanto a las dosis que se requieran para lograr que el producto final cumpla con los requisitos establecidos y así evitar pérdidas económicas que pueden ser cuantiosas. Otro ejemplo puede ser el control de gas para un proceso o industria. Que puede ser el gas suministrado a una caldera que es parte de una termoeléctrica, o simplemente una compañía que se dedica a vender gas, necesita conocer la cantidad de gas que ha vendido para poder facturar. Existe una gran cantidad de procesos industriales donde se necesita medir y controlar la cantidad de fluido. El caudal volumétrico Qv, depende sólo de la sección considerada y de la velocidad del fluido, pero el caudal másico Qm, depende además de la densidad del fluido y como se menciona más adelante, la densidad depende de la presión y la temperatura.

Los transductores o sensores de caudal están basados en alguno de los siguientes principios:

• Detección por presión diferencial o presión estática.
• Detección por presión dinámica.
• Detección de velocidad por inducción electromagnética.
• Detección volumétrica por medio de turbina.

La gran mayoría de los transductores miden caudal volumétrico. En el caso de fluidos no compresibles, la forma más común de medición es hallar la velocidad de paso por una sección conocida. Para los fluidos compresibles, los métodos más adecuados son los volumétricos a base de turbinas. A continuación se describen algunos de ellos.

Medidores de Presión Diferencial

Consisten de un elemento que se utiliza para generar una diferencia de presión en la tubería y otro elemento que se utiliza para medir esta presión y exhibirla o registrarla.

Esta diferencia de presión se logra haciendo que el fluido que va en la tubería pase a través de una restricción o un cuello de botella formado en la tubería.

Con estas modificaciones en la tubería se logra la diferencia de presión, antes de la restricción tenemos un lado de alta presión y una disminución de la velocidad del fluido, después de la restricción tenemos una baja presión pero con un aumento en la velocidad del fluido, ya que la energía del fluido se debe de conservar. Entonces, la diferencia entre estas presiones es lo que llamamos presión diferencial.

Uno de los elementos más utilizados para generar esa diferencia de presión son las placas de orificio. Esta es una placa metálica circular con un orificio, generalmente en su centro, que se coloca en una brida montada en la tubería donde circula el fluido. Este orificio de la placa no siempre es concéntrico, en algunas ocasiones es excéntrico que depende de las características del fluido.

El diámetro del orificio determina el grado de restricción que se produce en la línea. Un orificio de diámetro grande produce una baja restricción y una presión diferencial pequeña. Un orificio de diámetro pequeño produce una gran oposición al flujo del fluido, por lo tanto, generará una presión diferencial elevada. Otro factor que afecta la magnitud de la presión diferencial es la velocidad del fluido de manera proporcional, es decir, una velocidad alta produce una presión diferencial alta y, una velocidad baja produce una presión diferencial baja. Para la medida de la presión diferencial se usan instrumentos que tienen diafragmas o fuelles o escalas graduadas en pulgadas o centímetros de agua.

Podemos utilizar la siguiente ecuación para el cálculo del flujo cuando se utilizan placas de orificio.

Qv = k √H

Donde:

• H es la diferencia de alturas de presión o presión diferencial
• k es una constante que depende del diámetro de la placa y de la tubería

Se debe considerar que tipo de fluido se está tratando, si es un líquido, un gas o un vapor, ya que debemos de considerar dos propiedades importantes de éstos: la densidad y la viscosidad.

• Densidad: Es la relación (división) de la masa por unidad de volumen (Kg/m3).
• Viscosidad: Es la resistencia que ofrece el fluido para circular dentro una tubería.

La influencia de la temperatura sobre la densidad de los líquidos es significativa e inversamente proporcional. En los gases, la temperatura y presión son factores que afectan en gran medida la densidad de los gases al modificarse el volumen de éstos (ley general de los gases).

Dependiendo del líquido en cuestión, la temperatura afectará su viscosidad, por ejemplo en al caso del aceite, tiene una viscosidad alta, y cuando se calienta, su viscosidad disminuye.

La ventaja de utilizar placas de orificio es su fácil operación y modificación. Una principal desventaja es que si se tienen fluidos con sedimentos o con alta viscosidad, éstos tienden a acumularse y modifican o tapan el diámetro del orificio, dando como resultado que la presión diferencial que sé este leyendo no sea la real.

El tubo Venturi es otro dispositivo que trabaja bajo el principio de presión diferencial. Este presenta una gran ventaja cuando se trabaja con fluidos muy viscosos o que tienen sedimentos. Puede trabajar con rangos de velocidad de flujo más altos que el elemento antes descrito. Es un elemento de mayor costo y éste no se puede modificar en campo ya que sus dimensiones y rango de operación se calculan para condiciones de operación particulares.

Otro elemento que opera también bajo los principios de presión diferencial es la boquilla. Esta generalmente es más económica y de longitudes mayores. También es apropiada en aplicaciones donde se tienen fluidos con muchos sedimentos.

Medidores de Presión Dinámica

La presión dinámica es la diferencia entre la presión total y la presión estática que también depende de la velocidad del fluido. Algunos de los instrumentos para la medición de flujo utilizando esta característica se basan en un pequeño pistón o flotador que se encuentra sometido a la presión dinámica de la corriente del fluido. Estos dispositivos generalmente se disponen en secciones de la tubería de manera vertical, ya que la presión equilibra el peso del pistón o flotador y provoca un desplazamiento proporcional a la velocidad del fluido. La medición de este desplazamiento permite tener una indicación de la velocidad o del caudal.

Para los transductores de este tipo de tamaño pequeño presentan una escala graduada en un encapsulado de vidrio donde está contenido el pistón o flotador. La altura del pistón indicará la cantidad de caudal que circula por la tubería. Estos también se conocen con el nombre de rotámetros.

Otros transductores utilizados para la medición de caudal utilizando la presión dinámica son el tubo Pitot y el tubo Annubar. El tubo Pitot es un dispositivo sencillo, que consiste en un tubo doblado hacía la dirección donde viene el flujo. Este dispositivo generalmente se aplica a tuberías de diámetros grandes.

Otro tipo de medidores son los de turbina. En estos, la presión dinámica hace girar la turbina, donde la velocidad de giro es directamente proporcional al caudal. Esta turbina consta de un rotor montado en unos cojinetes y empotrado dentro de un compartimiento.

Por lo tanto, cuando el fluido pasa a través de este compartimiento hace girar la turbina libremente a una frecuencia proporcional a la cantidad de fluido que está pasando. La medida de dicha velocidad puede hacerse mediante un simple dispositivo captador inductivo o de otro tipo sin necesidad de romper la estanqueidad de la tubería.

Los transductores de ultrasonidos miden el caudal por la diferencia de velocidades del ultrasonido al propagarse en el sentido del flujo y en sentido contrario. Se utilizan transductores piezoeléctricos tanto para la emisión como para la recepción del ultrasonido.

El medidor de placa consiste de una placa instalada directamente en el centro de la tubería y sometida al empuje del fluido. La fuerza que se produce sobre la placa es detectada por un transductor de galgas extensiométricas o por un transmisor neumático de equilibrio de fuerzas.

Medidores por Velocidad y por Inducción

Este tipo de transductores se basan en la ley de inducción de Faraday, que dice que al mover un material conductor dentro de un campo magnético se genera una f.e.m. proporcional a la longitud del conductor, a su velocidad de desplazamiento y a la intensidad del campo.

En el caso de un fluido conductor en movimiento, se produce por este mismo principio una f.e.m. en sentido perpendicular al movimiento y a la dirección del campo. Por lo tanto, un medidor magnético de flujo consiste de un campo magnético producido por un par de electroimanes y dos electrodos (piezas de algún metal sumergidas en el líquido).

En los electrodos se induce una tensión que está en función de la distancia entre éstos, la densidad del flujo magnético y la velocidad del fluido. Como los dos primeros se mantienen constantes, el potencial en los electrodos es proporcional a la velocidad del fluido. Midiendo este potencial podemos determinar la velocidad del flujo. Este método de medida tiene la ventaja de no entorpecer el flujo y no existen partes en movimiento. Estos tipos de medidores son aptos para aplicaciones en líquidos corrosivos o de muy alta viscosidad. El inconveniente de estos instrumentos es que fallan si la tubería no está totalmente llena o si tiene burbujas.

Los medidores volumétricos se emplean para medir el caudal de gases intentando mantener temperatura y presión constantes. Como ejemplos típicos de estos transductores se encuentran los de disco oscilante y los de lóbulos.