Medición de presión - Pressure measurement

Ejemplo del manómetro Bourdon ampliamente utilizado
Comprobación de la presión de los neumáticos con un manómetro de presión de neumáticos de resorte y pistón

La medición de presión es el análisis de una fuerza aplicada por un fluido ( líquido o gas ) sobre una superficie. La presión se mide típicamente en unidades de fuerza por unidad de superficie . Se han desarrollado muchas técnicas para medir la presión y el vacío . Instrumentos utilizados para medir y la presión de visualización en una unidad integral son llamados medidores de presión o manómetros o indicadores de vacío . Un manómetro es un buen ejemplo, ya que usa el área de la superficie y el peso de una columna de líquido para medir e indicar la presión. Asimismo, el calibre Bourdon ampliamente utilizado es un dispositivo mecánico, que mide e indica y es probablemente el tipo de calibre más conocido.

Un manómetro de vacío es un manómetro que se usa para medir presiones más bajas que la presión atmosférica ambiental , que se establece como el punto cero, en valores negativos (por ejemplo: −15  psig o −760  mmHg es igual al vacío total). La mayoría de los manómetros miden la presión relativa a la presión atmosférica como el punto cero, por lo que esta forma de lectura se denomina simplemente "presión manométrica". Sin embargo, cualquier cosa mayor que el vacío total es técnicamente una forma de presión. Para lecturas muy precisas, especialmente a presiones muy bajas, se puede usar un manómetro que use el vacío total como punto cero, dando lecturas de presión en una escala absoluta .

Otros métodos de medición de presión involucran sensores que pueden transmitir la lectura de presión a un indicador remoto o sistema de control ( telemetría ).

Presiones absolutas, manométricas y diferenciales - referencia cero

Las mediciones de presión diarias, como la presión de los neumáticos del vehículo, se realizan generalmente en relación con la presión del aire ambiente. En otros casos, las mediciones se realizan en relación con un vacío o con alguna otra referencia específica. Al distinguir entre estas referencias cero, se utilizan los siguientes términos:

  • La presión absoluta tiene una referencia cero contra un vacío perfecto, utilizando unaescala absoluta, por lo que es igual a la presión manométrica más la presión atmosférica.
  • La presión manométrica tiene una referencia cero frente a la presión del aire ambiente, por lo que es igual a la presión absoluta menos la presión atmosférica. Los signos negativos suelen omitirse. Para distinguir una presión negativa, el valor se puede agregar con la palabra "vacío" o el manómetro se puede etiquetar como "vacuómetro". Estos se dividen además en dos subcategorías: alto y bajo vacío (y, a veces,ultra alto vacío). Los rangos de presión aplicables de muchas de las técnicas utilizadas para medir los vacíos se superponen. Por lo tanto, al combinar varios tipos diferentes de manómetros, es posible medir la presión del sistema de forma continua desde 10 mbarhasta10-11 mbar.
  • La presión diferencial es la diferencia de presión entre dos puntos.

La referencia cero en uso generalmente está implícita por el contexto, y estas palabras se agregan solo cuando se necesita una aclaración. La presión de los neumáticos y la presión arterial son presiones manométricas por convención, mientras que las presiones atmosféricas , las presiones de vacío profundo y las presiones del altímetro deben ser absolutas.

Para la mayoría de los fluidos de trabajo donde existe un fluido en un sistema cerrado , prevalece la medición de presión manométrica. Los instrumentos de presión conectados al sistema indicarán las presiones relativas a la presión atmosférica actual. La situación cambia cuando se miden presiones de vacío extremas, en su lugar se suelen utilizar presiones absolutas.

Las presiones diferenciales se utilizan comúnmente en sistemas de procesos industriales. Los manómetros de presión diferencial tienen dos puertos de entrada, cada uno conectado a uno de los volúmenes cuya presión se va a monitorear. En efecto, tal medidor realiza la operación matemática de resta a través de medios mecánicos, obviando la necesidad de que un operador o sistema de control observe dos medidores separados y determine la diferencia en las lecturas.

Las lecturas de presión de vacío moderadas pueden ser ambiguas sin el contexto adecuado, ya que pueden representar presión absoluta o presión manométrica sin signo negativo. Por lo tanto, un vacío de 26 inHg manométrico equivale a una presión absoluta de 4 inHg, calculada como 30 inHg (presión atmosférica típica) - 26 inHg (presión manométrica).

La presión atmosférica suele ser de unos 100  kPa al nivel del mar, pero varía con la altitud y el clima. Si la presión absoluta de un fluido permanece constante, la presión manométrica del mismo fluido variará a medida que cambie la presión atmosférica. Por ejemplo, cuando un automóvil sube por una montaña, la presión (manométrica) de los neumáticos aumenta porque la presión atmosférica disminuye. La presión absoluta en el neumático prácticamente no cambia.

El uso de la presión atmosférica como referencia generalmente se indica con una "g" de manómetro después de la unidad de presión, por ejemplo, 70 psig, lo que significa que la presión medida es la presión total menos la presión atmosférica . Hay dos tipos de presión manométrica de referencia: manómetro ventilado (vg) y manómetro sellado (sg).

Un transmisor de presión con manómetro ventilado , por ejemplo, permite que la presión del aire exterior se exponga al lado negativo del diafragma sensor de presión, a través de un cable ventilado o un orificio en el lateral del dispositivo, de modo que siempre mida la presión. referido a la presión barométrica ambiental . Por lo tanto, un sensor de presión de referencia con manómetro ventilado siempre debe leer presión cero cuando la conexión de presión del proceso se mantiene abierta al aire.

Una referencia de manómetro sellada es muy similar, excepto que la presión atmosférica está sellada en el lado negativo del diafragma. Esto generalmente se adopta en rangos de alta presión, como la hidráulica , donde los cambios de presión atmosférica tendrán un efecto insignificante en la precisión de la lectura, por lo que la ventilación no es necesaria. Esto también permite que algunos fabricantes proporcionen contención de presión secundaria como una precaución adicional para la seguridad del equipo a presión si se excede la presión de ruptura del diafragma sensor de presión primario .

Hay otra forma de crear una referencia de manómetro sellada, y esta es sellar un alto vacío en el reverso del diafragma sensor. Luego, la señal de salida se compensa, por lo que el sensor de presión lee cerca de cero al medir la presión atmosférica.

Un transductor de presión de referencia de manómetro sellado nunca leerá exactamente cero porque la presión atmosférica siempre cambia y la referencia en este caso se fija en 1 bar.

Para producir un sensor de presión absoluta , el fabricante sella un alto vacío detrás del diafragma sensor. Si la conexión de presión de proceso de un transmisor de presión absoluta está abierta al aire, leerá la presión barométrica real .

Historia

Durante gran parte de la historia humana, la presión de gases como el aire fue ignorada, negada o dada por sentada, pero ya en el siglo VI a.C., el filósofo griego Anaxímenes de Mileto afirmó que todas las cosas están hechas de aire que simplemente se cambia variando niveles de presión. Pudo observar el agua que se evapora, se convierte en gas, y sintió que esto se aplicaba incluso a la materia sólida. Más aire condensado hizo objetos más fríos y pesados, y el aire expandido hizo objetos más livianos y calientes. Esto era similar a cómo los gases realmente se vuelven menos densos cuando están más cálidos, más densos cuando están más fríos.

En el siglo XVII, Evangelista Torricelli realizó experimentos con mercurio que le permitieron medir la presencia de aire. Mojaba un tubo de vidrio, cerrado por un extremo, en un recipiente con mercurio y sacaba el extremo cerrado, manteniendo sumergido el extremo abierto. El peso del mercurio lo arrastraría hacia abajo, dejando un vacío parcial en el extremo más alejado. Esto validó su creencia de que el aire / gas tiene masa, creando presión sobre las cosas a su alrededor. Anteriormente, la conclusión más popular, incluso para Galileo , era que el aire era ingrávido y que el vacío proporcionaba fuerza, como en un sifón. El descubrimiento ayudó a que Torricelli llegara a la conclusión:

Vivimos sumergidos en el fondo de un océano del elemento aire, que por experimentos incuestionables se sabe que tiene peso.

Esta prueba, conocida como el experimento de Torricelli , fue esencialmente el primer manómetro documentado.

Blaise Pascal fue más lejos, hizo que su cuñado probara el experimento a diferentes altitudes en una montaña y descubrió que, de hecho, cuanto más abajo en el océano de atmósfera, mayor era la presión.

Unidades

Unidades de presión
Pascal Bar Atmósfera técnica Atmósfera estándar Torr Libra por pulgada cuadrada
(Pensilvania) (bar) (a) (Cajero automático) (Torr) (lbf / pulg 2 )
1 Pa 1 Pa ≡ 1 Pa 1 Pa = 10 −5 bares 1 Pa = 1.0197 × 10 −5 en 1 Pa = 9,8692 × 10 −6 atm 1 Pa = 7.5006 × 10 −3 Torr 1 Pa = 0.000 145037737730 lbf / pulg 2
1 barra 10 5 ≡ 100 kPa

≡ 10 6  din / cm 2

= 1.0197 = 0,986 92 = 750.06 = 14,503 773 773 022
1 en 98 066 .5 0,980 665 ≡ 1 kgf / cm 2 0,967 841 105 354 1 735.559 240 1 14.223 343 307120 3
1 atm 101 325 1.013 25 1.0332 1 760 14.695 948 775 514 2
1 Torr 133.322 368 421 0,001 333 224 0,001 359 51 1/760 0,001 315 789 1 Torr

≈ 1  mmHg

0,019 336 775
1 lbf / en 2 6894.757 293168 0,068 947 573 0,070 306 958 0,068 045 964 51.714 932 572 ≡ 1 lbf / pulg 2
Una lectura del manómetro en psi (escala roja) y kPa (escala negra)

La unidad SI para la presión es el pascal (Pa), igual a un newton por metro cuadrado (N · m −2 o kg · m −1 · s −2 ). Este nombre especial para la unidad se agregó en 1971; antes de eso, la presión en el SI se expresaba en unidades como N · m −2 . Cuando se indica, la referencia cero se indica entre paréntesis después de la unidad, por ejemplo 101 kPa (abs). La libra por pulgada cuadrada (psi) todavía se usa ampliamente en los EE. UU. Y Canadá, para medir, por ejemplo, la presión de los neumáticos. A menudo se agrega una letra a la unidad psi para indicar la referencia cero de la medición; psia para absoluto, psig para manómetro, psid para diferencial, aunque el NIST desaconseja esta práctica .

Debido a que la presión solía medirse una vez por su capacidad para desplazar una columna de líquido en un manómetro, las presiones a menudo se expresan como la profundidad de un fluido en particular ( por ejemplo, pulgadas de agua). La medición manométrica es objeto de cálculos de altura de presión . Las opciones más comunes para el fluido de un manómetro son el mercurio (Hg) y el agua; el agua no es tóxica y está fácilmente disponible, mientras que la densidad del mercurio permite una columna más corta (y por lo tanto un manómetro más pequeño) para medir una presión determinada. La abreviatura "WC" o las palabras "columna de agua" a menudo se imprimen en medidores y medidas que utilizan agua para el manómetro.

La densidad del fluido y la gravedad local pueden variar de una lectura a otra dependiendo de factores locales, por lo que la altura de una columna de fluido no define la presión con precisión. Por tanto, las medidas en " milímetros de mercurio " o " pulgadas de mercurio " se pueden convertir a unidades SI siempre que se preste atención a los factores locales de densidad y gravedad del fluido . Las fluctuaciones de temperatura cambian el valor de la densidad del fluido, mientras que la ubicación puede afectar la gravedad.

Aunque ya no se prefieren, estas unidades manométricas todavía se encuentran en muchos campos. La presión arterial se mide en milímetros de mercurio (ver torr ) en la mayor parte del mundo, la presión venosa central y las presiones pulmonares en centímetros de agua siguen siendo comunes, como en los entornos de las máquinas CPAP. Las presiones de las tuberías de gas natural se miden en pulgadas de agua , expresadas como "pulgadas WC".

Los buzos submarinos utilizan unidades manométricas: la presión ambiental se mide en unidades de metros de agua de mar (msw), que se define como igual a una décima de bar. La unidad utilizada en los EE. UU. Es el pie de agua de mar ( fsw ), basada en la gravedad estándar y una densidad del agua de mar de 64 lb / ft 3 . Según el Manual de buceo de la Marina de los EE. UU., Un fsw equivale a 0,30643 msw,0,030 643  bar , o0.444 44  psi , aunque en otros lugares establece que 33 fsw es14,7 psi (una atmósfera), lo que da un fsw igual a aproximadamente 0,445 psi. El msw y fsw son las unidades convencionales para medir la exposición a la presión del buceador utilizadas en las tablas de descompresión y la unidad de calibración para neumofatómetros y manómetros de cámara hiperbárica . Tanto msw como fsw se miden en relación con la presión atmosférica normal.

En los sistemas de vacío, las unidades torr (milímetro de mercurio), micrón (micrómetro de mercurio) y pulgada de mercurio ( inHg ) son las más utilizadas. Torr y micrón generalmente indican una presión absoluta, mientras que inHg generalmente indica una presión manométrica.

Las presiones atmosféricas se expresan generalmente usando hectopascal (hPa), kilopascal (kPa), milibar (mbar) o atmósferas ( atm ). En la ingeniería estadounidense y canadiense, la tensión a menudo se mide en kip . Tenga en cuenta que el estrés no es una verdadera presión, ya que no es escalar . En el sistema cgs la unidad de presión era el barye (ba), igual a 1 dyn · cm −2 . En el sistema mts , la unidad de presión fue el pieze , igual a 1 sthene por metro cuadrado.

Se utilizan muchas otras unidades híbridas, como mmHg / cm 2 o gramos-fuerza / cm 2 (a veces como [[kg / cm 2 ]] sin identificar correctamente las unidades de fuerza). El uso de los nombres kilogramo, gramo, kilogramo-fuerza o gramo-fuerza (o sus símbolos) como unidad de fuerza está prohibido en el SI; la unidad de fuerza en SI es el newton (N).

Presión estática y dinámica

La presión estática es uniforme en todas las direcciones, por lo que las mediciones de presión son independientes de la dirección en un fluido inamovible (estático). Sin embargo, el flujo aplica una presión adicional sobre las superficies perpendiculares a la dirección del flujo, mientras que tiene poco impacto en las superficies paralelas a la dirección del flujo. Este componente direccional de la presión en un fluido en movimiento (dinámico) se llama presión dinámica . Un instrumento orientado hacia la dirección del flujo mide la suma de las presiones estática y dinámica; esta medida se llama presión total o presión de estancamiento . Dado que la presión dinámica se refiere a la presión estática, no es manométrica ni absoluta; es una presión diferencial.

Si bien la presión manométrica estática es de primordial importancia para determinar las cargas netas en las paredes de las tuberías, la presión dinámica se usa para medir las tasas de flujo y la velocidad del aire. La presión dinámica se puede medir tomando la presión diferencial entre instrumentos paralelos y perpendiculares al flujo. Los tubos de Pitot-estáticos , por ejemplo, realizan esta medición en aviones para determinar la velocidad del aire. La presencia del instrumento de medición actúa inevitablemente para desviar el flujo y crear turbulencias, por lo que su forma es fundamental para la precisión y las curvas de calibración a menudo no son lineales.

Aplicaciones

Instrumentos

Un manómetro en acción

Se han inventado muchos instrumentos para medir la presión, con diferentes ventajas y desventajas. El rango de presión, la sensibilidad, la respuesta dinámica y el costo varían en varios órdenes de magnitud de un diseño de instrumento a otro. El tipo más antiguo es el manómetro de columna líquida (un tubo vertical lleno de mercurio) inventado por Evangelista Torricelli en 1643. El tubo en U fue inventado por Christiaan Huygens en 1661.

Hidrostático

Los medidores hidrostáticos (como el manómetro de columna de mercurio) comparan la presión con la fuerza hidrostática por unidad de área en la base de una columna de fluido. Las mediciones de los manómetros hidrostáticos son independientes del tipo de gas que se está midiendo y pueden diseñarse para tener una calibración muy lineal. Tienen una respuesta dinámica deficiente.

Pistón

Los medidores de pistón contrarrestan la presión de un fluido con un resorte (por ejemplo , medidores de presión de neumáticos de precisión comparativamente baja) o un peso sólido, en cuyo caso se conoce como comprobador de peso muerto y se puede utilizar para la calibración de otros medidores.

Columna de líquido (manómetro)

La diferencia en la altura del fluido en un manómetro de columna de líquido es proporcional a la diferencia de presión:

Los medidores de columna de líquido consisten en una columna de líquido en un tubo cuyos extremos están expuestos a diferentes presiones. La columna subirá o bajará hasta que su peso (una fuerza aplicada debido a la gravedad) esté en equilibrio con la diferencia de presión entre los dos extremos del tubo (una fuerza aplicada debido a la presión del fluido). Una versión muy simple es un tubo en forma de U medio lleno de líquido, un lado del cual está conectado a la región de interés mientras que la presión de referencia (que puede ser la presión atmosférica o el vacío) se aplica al otro. La diferencia en los niveles de líquido representa la presión aplicada. La presión ejercida por una columna de fluido de altura hy densidad ρ viene dada por la ecuación de presión hidrostática, P = hgρ . Por lo tanto, la diferencia de presión entre la presión aplicada P a y la presión de referencia P 0 en un manómetro de tubo en U se puede encontrar resolviendo P a - P 0 = hgρ . En otras palabras, la presión en cada extremo del líquido (que se muestra en azul en la figura) debe estar equilibrada (ya que el líquido es estático), por lo que P a = P 0 + hgρ .

En la mayoría de las mediciones de columna de líquido, el resultado de la medición es la altura h , expresada típicamente en mm, cm o pulgadas. La h también se conoce como altura de presión . Cuando se expresa como altura de presión, la presión se especifica en unidades de longitud y se debe especificar el fluido de medición. Cuando la precisión es crítica, la temperatura del fluido de medición también debe especificarse, porque la densidad del líquido es una función de la temperatura . Entonces, por ejemplo, la altura de presión podría escribirse "742.2 mm Hg " o "4.2 en H 2 O a 59 ° F" para mediciones tomadas con mercurio o agua como fluido manométrico respectivamente. La palabra "manómetro" o "vacío" se puede agregar a dicha medición para distinguir entre una presión por encima o por debajo de la presión atmosférica. Tanto los mm de mercurio como las pulgadas de agua son cabezas de presión comunes, que se pueden convertir a unidades SI de presión utilizando la conversión de unidades y las fórmulas anteriores.

Si el fluido que se mide es significativamente denso, es posible que deban realizarse correcciones hidrostáticas para la altura entre la superficie móvil del fluido de trabajo del manómetro y la ubicación donde se desea medir la presión, excepto cuando se mide la presión diferencial de un fluido (por ejemplo, a través de una placa de orificio o venturi), en cuyo caso la densidad ρ debe corregirse restando la densidad del fluido que se mide.

Aunque se puede utilizar cualquier fluido, se prefiere el mercurio por su alta densidad (13,534 g / cm 3 ) y baja presión de vapor . Su menisco convexo es ventajoso ya que esto significa que no habrá errores de presión por mojar el vidrio, aunque en circunstancias excepcionalmente limpias, el mercurio se adherirá al vidrio y el barómetro puede atascarse (el mercurio puede sostener una presión absoluta negativa ) incluso bajo un fuerte vacío. Para diferencias de baja presión, se suele utilizar aceite ligero o agua (esta última da lugar a unidades de medida como pulgadas de manómetro y milímetros de H2O ). Los manómetros de columna de líquido tienen una calibración altamente lineal. Tienen una respuesta dinámica deficiente porque el fluido de la columna puede reaccionar lentamente a un cambio de presión.

Al medir el vacío, el líquido de trabajo puede evaporarse y contaminar el vacío si su presión de vapor es demasiado alta. Al medir la presión de un líquido, un circuito lleno de gas o un fluido ligero puede aislar los líquidos para evitar que se mezclen, pero esto puede ser innecesario, por ejemplo, cuando se usa mercurio como fluido manométrico para medir la presión diferencial de un fluido como agua. Los manómetros hidrostáticos simples pueden medir presiones que van desde unos pocos torrs (unos 100 Pa) hasta unas pocas atmósferas (aproximadamente1 000 000  Pa ).

Un manómetro de columna de líquido de una sola rama tiene un depósito más grande en lugar de un lado del tubo en U y tiene una escala al lado de la columna más estrecha. La columna puede inclinarse para amplificar aún más el movimiento del líquido. Según el uso y la estructura, se utilizan los siguientes tipos de manómetros

  1. Manómetro simple
  2. Micromanómetro
  3. Manómetro diferencial
  4. Manómetro diferencial invertido

Manómetro McLeod

Un medidor McLeod, sin mercurio

Un medidor McLeod aísla una muestra de gas y la comprime en un manómetro de mercurio modificado hasta que la presión es de unos pocos milímetros de mercurio . La técnica es muy lenta e inadecuada para un monitoreo continuo, pero es capaz de una buena precisión. A diferencia de otros manómetros, la lectura del manómetro McLeod depende de la composición del gas, ya que la interpretación se basa en la compresión de la muestra como gas ideal . Debido al proceso de compresión, el manómetro McLeod ignora por completo las presiones parciales de los vapores no ideales que se condensan, como los aceites de bomba, el mercurio e incluso el agua si se comprime lo suficiente.

Rango útil : desde alrededor de 10 −4  Torr (aproximadamente 10 −2  Pa) a vacíos tan altos como 10 −6  Torr (0.1 mPa),

0,1 mPa es la medida de presión directa más baja que es posible con la tecnología actual. Otros vacuómetros pueden medir presiones más bajas, pero solo indirectamente mediante la medición de otras propiedades dependientes de la presión. Estas medidas indirectas deben calibrarse en unidades SI mediante una medida directa, más comúnmente un manómetro McLeod.

Aneroide

Los manómetros aneroides se basan en un elemento metálico sensor de presión que se flexiona elásticamente bajo el efecto de una diferencia de presión a través del elemento. "Aneroide" significa "sin fluido", y el término originalmente distinguía estos medidores de los medidores hidrostáticos descritos anteriormente. Sin embargo, los manómetros aneroides se pueden utilizar para medir la presión de un líquido y de un gas, y no son el único tipo de manómetro que puede funcionar sin líquido. Por esta razón, a menudo se les llama medidores mecánicos en el lenguaje moderno. Los medidores aneroides no dependen del tipo de gas que se mide, a diferencia de los medidores térmicos y de ionización, y es menos probable que contaminen el sistema que los medidores hidrostáticos. El elemento sensor de presión puede ser un tubo de Bourdon , un diafragma, una cápsula o un conjunto de fuelles, que cambiarán de forma en respuesta a la presión de la región en cuestión. La desviación del elemento sensor de presión puede leerse mediante un enlace conectado a una aguja, o puede leerse mediante un transductor secundario. Los transductores secundarios más comunes en los medidores de vacío modernos miden un cambio en la capacitancia debido a la desviación mecánica. Los manómetros que dependen de un cambio en la capacitancia a menudo se denominan manómetros de capacitancia.

Calibre Bourdon

Manómetro de membrana

El manómetro de Bourdon utiliza el principio de que un tubo aplanado tiende a enderezarse o recuperar su forma circular en sección transversal cuando está presurizado. (Un cuerno de fiesta ilustra este principio). Este cambio en la sección transversal puede ser apenas perceptible, implicando tensiones moderadas dentro del rango elástico de materiales fácilmente trabajables. La deformación del material del tubo se magnifica formando el tubo en forma de C o incluso en hélice, de modo que todo el tubo tiende a enderezarse o desenrollarse elásticamente a medida que se presuriza. Eugène Bourdon patentó su calibre en Francia en 1849 y fue ampliamente adoptado debido a su superior sensibilidad, linealidad y precisión; Edward Ashcroft compró los derechos de patente estadounidense de Bourdon en 1852 y se convirtió en un importante fabricante de medidores. También en 1849, Bernard Schaeffer en Magdeburg, Alemania, patentó un exitoso manómetro de diafragma (ver más abajo) que, junto con el manómetro Bourdon, revolucionó la medición de presión en la industria. Pero en 1875, después de que expiraran las patentes de Bourdon, su empresa Schaeffer and Budenberg también fabricó manómetros de tubo Bourdon.

Un manómetro compuesto Eugene Bourdon original del siglo XIX, que lee la presión tanto por debajo como por encima del ambiente con gran sensibilidad

En la práctica, un tubo de extremo cerrado, de pared delgada y aplanado se conecta en el extremo hueco a un tubo fijo que contiene la presión del fluido que se va a medir. A medida que aumenta la presión, el extremo cerrado se mueve en un arco, y este movimiento se convierte en la rotación de un (segmento de) engranaje mediante un eslabón de conexión que generalmente es ajustable. Un engranaje de piñón de pequeño diámetro está en el eje del indicador, por lo que el movimiento se magnifica aún más por la relación de transmisión . El posicionamiento de la tarjeta indicadora detrás del puntero, la posición inicial del eje del puntero, la longitud del varillaje y la posición inicial, todos proporcionan medios para calibrar el puntero para indicar el rango de presión deseado para variaciones en el comportamiento del tubo de Bourdon en sí. La presión diferencial se puede medir con manómetros que contienen dos tubos de Bourdon diferentes, con varillajes de conexión.

Los tubos de Bourdon miden la presión manométrica , en relación con la presión atmosférica ambiental, en contraposición a la presión absoluta ; el vacío se detecta como un movimiento inverso. Algunos barómetros aneroides usan tubos de Bourdon cerrados en ambos extremos (pero la mayoría usa diafragmas o cápsulas, ver más abajo). Cuando la presión medida está pulsando rápidamente, como cuando el manómetro está cerca de una bomba alternativa , con frecuencia se usa una restricción de orificio en la tubería de conexión para evitar el desgaste innecesario de los engranajes y proporcionar una lectura promedio; cuando todo el medidor está sujeto a vibraciones mecánicas, la caja completa, incluidos el puntero y la tarjeta indicadora, se puede llenar con aceite o glicerina . No se recomienda tocar la cara del medidor, ya que tenderá a falsificar las lecturas reales presentadas inicialmente por el medidor. El tubo de Bourdon está separado de la cara del manómetro y, por lo tanto, no tiene ningún efecto sobre la lectura real de la presión. Los medidores modernos típicos de alta calidad proporcionan una precisión de ± 2% del intervalo, y un medidor especial de alta precisión puede ser tan exacto como el 0,1% de la escala completa.

Los sensores de tubo de Bourdon de cuarzo fundido con equilibrio de fuerza funcionan según el mismo principio, pero utilizan el reflejo de un haz de luz de un espejo para detectar el desplazamiento angular y se aplica corriente a los electroimanes para equilibrar la fuerza del tubo y devolver el desplazamiento angular a cero, la corriente que se aplica a las bobinas se utiliza como medida. Debido a las propiedades mecánicas y térmicas extremadamente estables y repetibles del cuarzo y al equilibrio de fuerza que elimina casi todo movimiento físico, estos sensores pueden tener una precisión de alrededor de 1  PPM de escala completa. Debido a las estructuras de cuarzo fundido extremadamente finas que deben fabricarse a mano, estos sensores generalmente se limitan a fines científicos y de calibración.

En las siguientes ilustraciones, se ha quitado la tapa transparente de la combinación de manómetro y vacuómetro y se ha quitado el mecanismo de la caja. Este manómetro en particular es un manómetro combinado de vacío y presión que se utiliza para el diagnóstico automotriz:

Lado del indicador con tarjeta y dial
Lado mecánico con tubo Bourdon
Detalles mecánicos
Detalles mecánicos

Partes estacionarias:

  • A: bloque receptor. Esto une el tubo de entrada al extremo fijo del tubo Bourdon (1) y asegura la placa del chasis (B). Los dos orificios reciben tornillos que aseguran la carcasa.
  • B: placa de chasis. La tarjeta de la cara se adjunta a esto. Contiene orificios para cojinetes para los ejes.
  • C: placa de chasis secundaria. Soporta los extremos exteriores de los ejes.
  • D: Postes para unir y espaciar las dos placas del chasis.

Partes que se mueven:

  1. Extremo estacionario del tubo de Bourdon. Este se comunica con la tubería de entrada a través del bloque receptor.
  2. Extremo móvil del tubo de Bourdon. Este extremo está sellado.
  3. Pivote y pasador de pivote
  4. Enlace el pasador de pivote de unión a la palanca (5) con pasadores para permitir la rotación de la junta
  5. Palanca, una extensión del sector de engranajes (7)
  6. Pasador del eje del engranaje del sector
  7. Engranaje del sector
  8. Eje de aguja indicadora. Este tiene un engranaje recto que engancha el engranaje de sector (7) y se extiende a través de la cara para impulsar la aguja indicadora. Debido a la corta distancia entre el saliente de la articulación del brazo de palanca y el pasador de pivote y la diferencia entre el radio efectivo del engranaje de sector y el del engranaje recto, cualquier movimiento del tubo de Bourdon se amplifica en gran medida. Un pequeño movimiento del tubo da como resultado un gran movimiento de la aguja indicadora.
  9. Muelle de pelo para precargar el tren de engranajes para eliminar el latigazo y la histéresis de los engranajes

Diafragma

Un segundo tipo de manómetro aneroide utiliza la desviación de una membrana flexible que separa regiones de diferente presión. La cantidad de deflexión se puede repetir para presiones conocidas, por lo que la presión se puede determinar mediante la calibración. La deformación de un diafragma delgado depende de la diferencia de presión entre sus dos caras. La cara de referencia puede estar abierta a la atmósfera para medir la presión manométrica, abierta a un segundo puerto para medir la presión diferencial, o puede sellarse contra un vacío u otra presión de referencia fija para medir la presión absoluta. La deformación se puede medir mediante técnicas mecánicas, ópticas o capacitivas. Se utilizan diafragmas cerámicos y metálicos.

Rango útil : por encima de 10 -2 Torr (aproximadamente 1 Pa )

Para mediciones absolutas, a menudo se utilizan cápsulas de presión soldadas con diafragmas en ambos lados.

forma:

  • Plano
  • Acanalado
  • Tubo aplanado
  • Cápsula

Fuelle

Un montón de cápsulas de presión con diafragmas ondulados en un barógrafo aneroide

En manómetros destinados a detectar pequeñas presiones o diferencias de presión, o que requieren que se mida una presión absoluta, el tren de engranajes y la aguja pueden ser impulsados ​​por una cámara de fuelle cerrada y sellada, llamada aneroide , que significa "sin líquido". (Los primeros barómetros usaban una columna de líquido como agua o el metal líquido mercurio suspendido por un vacío ). Esta configuración de fuelle se usa en barómetros aneroides (barómetros con una aguja indicadora y tarjeta de cuadrante), altímetros , barógrafos de registro de altitud y la altitud. Instrumentos de telemetría utilizados en radiosondas de globos meteorológicos . Estos dispositivos utilizan la cámara sellada como presión de referencia y son impulsados ​​por la presión externa. Otros instrumentos sensibles de la aeronave, como los indicadores de velocidad del aire y los indicadores de velocidad de ascenso ( variómetros ), tienen conexiones tanto a la parte interna de la cámara aneroide como a una cámara envolvente externa.

Acoplamiento Magnético

Estos medidores utilizan la atracción de dos imanes para traducir la presión diferencial en el movimiento de un puntero de dial. A medida que aumenta la presión diferencial, se mueve un imán unido a un pistón o diafragma de goma. Un imán giratorio que se adjunta a un puntero se mueve al unísono. Para crear diferentes rangos de presión, la tasa de resorte se puede aumentar o disminuir.

Indicador de rotor giratorio

El medidor de rotor giratorio funciona midiendo la cantidad de velocidad de una bola giratoria debido a la viscosidad del gas que se mide. La bola está hecha de acero y levita magnéticamente dentro de un tubo de acero cerrado en un extremo y expuesto al gas que se va a medir en el otro. La bola se lleva a la velocidad (2500 o 3800 aproximadamente   rad / s) y la tasa de desaceleración se mide después de apagar el accionamiento mediante transductores electromagnéticos. El rango del instrumento es de 5 −5 a 10 2  Pa (10 3  Pa con menos precisión). Es lo suficientemente preciso y estable como para usarse como estándar secundario . Durante los últimos años, este tipo de medidor se volvió mucho más fácil de usar y de operar. En el pasado, el instrumento era famoso por requerir cierta habilidad y conocimiento para usarlo correctamente. Para obtener mediciones de alta precisión, se deben aplicar varias correcciones y la bola debe girarse a una presión muy por debajo de la presión de medición prevista durante cinco horas antes de su uso. Es más útil en laboratorios de calibración e investigación donde se requiere una alta precisión y se dispone de técnicos calificados. El control del vacío de aislamiento de líquidos criogénicos también es una aplicación perfecta para este sistema. Con el sensor soldable, económico y estable a largo plazo, que se puede separar de la electrónica / lectura más costosa, se adapta perfectamente a todas las aspiradoras estáticas.

Instrumentos electrónicos de presión

Medidor de tensión de metal
La galga extensométrica generalmente se pega (galga extensométrica de lámina) o se deposita (galga extensométrica de película delgada) sobre una membrana. La deflexión de la membrana debido a la presión provoca un cambio de resistencia en la galga extensométrica que se puede medir electrónicamente.
Medidor de tensión piezorresistivo
Utiliza el efecto piezorresistivo de galgas extensométricas adheridas o formadas para detectar la deformación debida a la presión aplicada.
Sensor de presión de silicio piezorresistivo
El sensor es generalmente un sensor de presión de silicio piezorresistivo con compensación de temperatura elegido por su excelente rendimiento y estabilidad a largo plazo. Se proporciona compensación de temperatura integral en un rango de 0 a 50 ° C utilizando resistencias recortadas con láser . Se incluye una resistencia adicional recortada con láser para normalizar las variaciones de sensibilidad a la presión mediante la programación de la ganancia de un amplificador diferencial externo. Esto proporciona una buena sensibilidad y estabilidad a largo plazo. Los dos puertos del sensor, aplican presión al mismo transductor individual, consulte el diagrama de flujo de presión a continuación.
Sensor de presión de silicio piezorresistivo.png

Este es un diagrama muy simplificado, pero puede ver el diseño fundamental de los puertos internos en el sensor. El elemento importante aquí a tener en cuenta es el "diafragma", ya que este es el sensor en sí. Tenga en cuenta que tiene una forma ligeramente convexa (muy exagerada en el dibujo), esto es importante ya que afecta la precisión del sensor en uso. La forma del sensor es importante porque está calibrado para trabajar en la dirección del flujo de aire como lo muestran las flechas ROJAS. Esta es la operación normal del sensor de presión, que proporciona una lectura positiva en la pantalla del medidor de presión digital. Aplicar presión en la dirección inversa puede inducir errores en los resultados, ya que el movimiento de la presión del aire intenta forzar al diafragma a moverse en la dirección opuesta. Los errores inducidos por esto son pequeños pero pueden ser significativos y, por lo tanto, siempre es preferible asegurarse de que la presión más positiva se aplique siempre al puerto positivo (+ ve) y que la presión más baja se aplique al puerto negativo (-ve). , para una aplicación normal de 'presión manométrica'. Lo mismo se aplica a la medición de la diferencia entre dos vacíos, el vacío más grande siempre debe aplicarse al puerto negativo (-ve). La medición de la presión a través del puente de Wheatstone se parece a esto ...

Esquema de aplicación

El modelo eléctrico efectivo del transductor, junto con un circuito de acondicionamiento de señal básico, se muestra en el esquema de aplicación. El sensor de presión es un puente Wheatstone totalmente activo que ha sido compensado por temperatura y ajustado por compensación mediante resistencias recortadas con láser de película gruesa. La excitación al puente se aplica a través de una corriente constante. La salida del puente de bajo nivel está en + O y -O, y el intervalo amplificado lo establece la resistencia de programación de ganancia (r). El diseño eléctrico está controlado por microprocesador, lo que permite la calibración, las funciones adicionales para el usuario, como las funciones de selección de báscula, retención de datos, cero y filtro, la función de registro que almacena / muestra MAX / MIN.

Capacitivo
Utiliza un diafragma y una cavidad de presión para crear un condensador variable para detectar la tensión debida a la presión aplicada.
Magnético
Mide el desplazamiento de un diafragma mediante cambios en la inductancia (reluctancia), LVDT , efecto Hall o por el principio de corrientes parásitas .
Piezoeléctrico
Utiliza el efecto piezoeléctrico en ciertos materiales como el cuarzo para medir la tensión sobre el mecanismo sensor debido a la presión.
Óptico
Utiliza el cambio físico de una fibra óptica para detectar deformaciones debidas a la presión aplicada.
Potenciométrico
Utiliza el movimiento de un limpiaparabrisas a lo largo de un mecanismo resistivo para detectar la tensión causada por la presión aplicada.
Resonante
Utiliza los cambios en la frecuencia de resonancia en un mecanismo de detección para medir la tensión, o los cambios en la densidad del gas, causados ​​por la presión aplicada.

Conductividad térmica

Generalmente, a medida que un gas real aumenta de densidad, lo que puede indicar un aumento de presión , aumenta su capacidad para conducir el calor. En este tipo de calibre, un filamento de alambre se calienta pasando corriente a través de él. Luego se puede usar un termopar o termómetro de resistencia (RTD) para medir la temperatura del filamento. Esta temperatura depende de la velocidad a la que el filamento pierde calor al gas circundante y, por lo tanto, de la conductividad térmica . Una variante común es el calibre Pirani , que utiliza un solo filamento de platino como elemento calentado y RTD. Estos medidores tienen una precisión de 10 −3  Torr a 10 Torr , pero su calibración es sensible a la composición química de los gases que se miden.

Pirani (un cable)

Vacuómetro Pirani (abierto)

Un manómetro Pirani consiste en un alambre de metal abierto a la presión que se mide. El cable se calienta con una corriente que lo atraviesa y se enfría con el gas que lo rodea. Si se reduce la presión del gas, el efecto de enfriamiento disminuirá y, por lo tanto, aumentará la temperatura de equilibrio del alambre. La resistencia del cable es función de su temperatura : midiendo el voltaje a través del cable y la corriente que fluye a través de él, se puede determinar la resistencia (y por lo tanto la presión del gas). Este tipo de calibre fue inventado por Marcello Pirani .

Dos hilos

En los calibres de dos cables, una bobina de alambre se usa como calentador y la otra se usa para medir la temperatura debido a la convección . Los medidores de termopar y termistor funcionan de esta manera usando un termopar o termistor , respectivamente, para medir la temperatura del cable calentado.

Medidor de ionización

Los medidores de ionización son los medidores más sensibles para presiones muy bajas (también conocidas como vacío duro o alto). Detectan la presión indirectamente midiendo los iones eléctricos producidos cuando el gas es bombardeado con electrones. Los gases de menor densidad producirán menos iones. La calibración de un medidor de iones es inestable y depende de la naturaleza de los gases que se miden, lo que no siempre se conoce. Se pueden calibrar con un medidor McLeod que es mucho más estable e independiente de la química del gas.

La emisión termoiónica genera electrones, que chocan con los átomos de gas y generan iones positivos . Los iones son atraídos por un electrodo adecuadamente polarizado conocido como colector. La corriente en el colector es proporcional a la tasa de ionización, que es una función de la presión en el sistema. Por tanto, la medición de la corriente del colector da la presión del gas. Hay varios subtipos de indicadores de ionización.

Gama Útil : 10 -10 - 10 -3 torr (aproximadamente 10 -8 - 10 -1 Pa)

La mayoría de los medidores de iones vienen en dos tipos: cátodo caliente y cátodo frío. En la versión de cátodo caliente , un filamento calentado eléctricamente produce un haz de electrones. Los electrones viajan a través del medidor e ionizan moléculas de gas a su alrededor. Los iones resultantes se recogen en un electrodo negativo. La corriente depende de la cantidad de iones, que depende de la presión en el manómetro. Los medidores de cátodo caliente tienen una precisión de 10 −3  Torr a 10 −10  Torr. El principio detrás de la versión de cátodo frío es el mismo, excepto que los electrones se producen en la descarga de un alto voltaje. Los medidores de cátodo frío tienen una precisión de 10 −2  Torr a 10 −9  Torr. La calibración del medidor de ionización es muy sensible a la geometría de la construcción, la composición química de los gases que se miden, la corrosión y los depósitos en la superficie. Su calibración puede invalidarse mediante la activación a presión atmosférica o bajo vacío. La composición de los gases a altos vacíos generalmente será impredecible, por lo que se debe usar un espectrómetro de masas junto con el medidor de ionización para una medición precisa.

Cátodo caliente

Medidor de ionización de cátodo caliente Bayard-Alpert

Un medidor de ionización de cátodo caliente se compone principalmente de tres electrodos que actúan juntos como un triodo , en el que el cátodo es el filamento. Los tres electrodos son un colector o placa, un filamento y una rejilla . La corriente del colector se mide en picoamperios con un electrómetro . El voltaje del filamento a tierra suele tener un potencial de 30 voltios, mientras que el voltaje de la red es de 180-210 voltios CC, a menos que haya una función opcional de bombardeo de electrones , calentando la red, que puede tener un alto potencial de aproximadamente 565 voltios.

El medidor de iones más común es el medidor Bayard-Alpert de cátodo caliente , con un pequeño colector de iones dentro de la rejilla. Una envoltura de vidrio con una abertura al vacío puede rodear los electrodos, pero generalmente el calibre desnudo se inserta directamente en la cámara de vacío, y las clavijas se alimentan a través de una placa de cerámica en la pared de la cámara. Los manómetros de cátodo caliente pueden dañarse o perder su calibración si se exponen a la presión atmosférica o incluso a un vacío bajo mientras están calientes. Las medidas de un medidor de ionización de cátodo caliente son siempre logarítmicas.

Los electrones emitidos por el filamento se mueven varias veces hacia adelante y hacia atrás alrededor de la rejilla antes de entrar finalmente en la rejilla. Durante estos movimientos, algunos electrones chocan con una molécula gaseosa para formar un par de iones y electrones ( ionización de electrones ). El número de estos iones es proporcional a la densidad de la molécula gaseosa multiplicada por la corriente de electrones emitida por el filamento, y estos iones se vierten en el colector para formar una corriente de iones. Dado que la densidad de la molécula gaseosa es proporcional a la presión, la presión se estima midiendo la corriente de iones.

La sensibilidad a baja presión de los manómetros de cátodo caliente está limitada por el efecto fotoeléctrico. Los electrones que golpean la rejilla producen rayos X que producen ruido fotoeléctrico en el colector de iones. Esto limita el rango de los medidores de cátodo caliente más antiguos a 10 −8  Torr y el Bayard-Alpert a aproximadamente 10 −10  Torr. Los cables adicionales en el potencial del cátodo en la línea de visión entre el colector de iones y la rejilla evitan este efecto. En el tipo de extracción, los iones no son atraídos por un alambre, sino por un cono abierto. Como los iones no pueden decidir qué parte del cono golpear, pasan a través del orificio y forman un haz de iones. Este haz de iones se puede transmitir a:

Cátodo frío

Vacuómetro Penning (abierto)

Hay dos subtipos de medidores de ionización de cátodo frío : el medidor Penning (inventado por Frans Michel Penning ) y el magnetrón invertido , también llamado medidor Redhead . La principal diferencia entre los dos es la posición del ánodo con respecto al cátodo . Ninguno tiene filamento y cada uno puede requerir un potencial de CC de aproximadamente 4 kV para su funcionamiento. Magnetrones invertidos pueden medir hasta 1 × 10 -12   Torr .

Del mismo modo, los medidores de cátodo frío pueden ser reacios a comenzar a presiones muy bajas, ya que la casi ausencia de un gas dificulta el establecimiento de una corriente de electrodo, en particular en los medidores de Penning, que utilizan un campo magnético axialmente simétrico para crear una trayectoria. longitudes para electrones que son del orden de metros. En el aire ambiente, los pares de iones adecuados se forman ubicuamente por radiación cósmica; en un medidor Penning, las características de diseño se utilizan para facilitar la configuración de una ruta de descarga. Por ejemplo, el electrodo de un medidor de Penning suele ser finamente ahusado para facilitar la emisión de campo de electrones.

Los ciclos de mantenimiento de los manómetros de cátodo frío, en general, se miden en años, dependiendo del tipo de gas y la presión en la que se operan. El uso de un manómetro de cátodo frío en gases con componentes orgánicos sustanciales, como fracciones de aceite de bomba, puede resultar en la el crecimiento de delicadas películas de carbono y fragmentos dentro del medidor que eventualmente cortocircuitan los electrodos del medidor o impiden la generación de una ruta de descarga.

Comparación de instrumentos de medición de presión
Fenomeno fisico Instrumento Equación gobernante Factores limitantes Rango de presión práctico Precisión ideal Tiempo de respuesta
Mecánico Manómetro de columna de líquido Cajero automático. hasta 1 mbar
Mecánico Reloj comparador de cápsula Fricción 1000 hasta 1 mbar ± 5% de la escala completa Lento
Mecánico Medidor de tensión 1000 hasta 1 mbar Rápido
Mecánico Manómetro de capacitancia Fluctuaciones de temperatura atm hasta 10 −6 mbar ± 1% de lectura Más lento cuando se monta el filtro
Mecánico McLeod Ley de Boyle 10 a 10 −3 mbar ± 10% de lectura entre 10 −4 y 5⋅10 −2 mbar
Transporte Rotor giratorio ( arrastre ) 10 −1 a 10 −7 mbar ± 2,5% de lectura entre 10 −7 y 10 −2 mbar

2,5 a 13,5% entre 10 −2 y 1 mbar

Transporte Pirani ( puente de Wheatstone ) Conductividad térmica 1000 a 10 −3 mbar (temperatura constante)

10 a 10 −3 mbar (tensión constante)

± 6% de lectura entre 10 −2 y 10 mbar Rápido
Transporte Termopar ( efecto Seebeck ) Conductividad térmica 5 a 10 −3 mbar ± 10% de lectura entre 10 −2 y 1 mbar
Ionización Cátodo frío (Penning) Rendimiento de ionización 10 −2 a 10 −7 mbar +100 a -50% de lectura
Ionización Cátodo caliente (ionización inducida por emisión termoiónica) Medida de baja corriente; emisión de rayos x parásitos 10 −3 a 10 −10 mbar ± 10% entre 10 −7 y 10 −4 mbar

± 20% a 10 −3 y 10 −9 mbar ± 100% a 10 −10 mbar

Transitorios dinámicos

Cuando los flujos de fluido no están en equilibrio, las presiones locales pueden ser más altas o más bajas que la presión promedio en un medio. Estas perturbaciones se propagan desde su origen como variaciones de presión longitudinales a lo largo de la trayectoria de propagación. A esto también se le llama sonido. La presión sonora es la desviación instantánea de la presión local de la presión media causada por una onda sonora. La presión sonora se puede medir con un micrófono en el aire y un hidrófono en el agua. La presión sonora efectiva es la raíz cuadrada de la presión sonora instantánea durante un intervalo de tiempo determinado. Las presiones sonoras son normalmente pequeñas y a menudo se expresan en unidades de microbarras.

  • respuesta de frecuencia de los sensores de presión
  • resonancia

Calibración y estándares

Probador de peso muerto. Esto usa pesos calibrados conocidos en un pistón para generar una presión conocida.

La Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME) ha desarrollado dos estándares separados y distintos sobre medición de presión, B40.100 y PTC 19.2. B40.100 proporciona pautas sobre el tipo de cuadrante de presión indicada y los manómetros indicadores digitales de presión, sellos de diafragma, amortiguadores y válvulas limitadoras de presión. PTC 19.2 proporciona instrucciones y orientación para la determinación precisa de los valores de presión en apoyo de los códigos de prueba de rendimiento de ASME. La elección del método, los instrumentos, los cálculos requeridos y las correcciones que se aplicarán depende del propósito de la medición, la incertidumbre permitida y las características del equipo que se está probando.

También se proporcionan los métodos para medir la presión y los protocolos utilizados para la transmisión de datos. Se proporciona orientación para configurar la instrumentación y determinar la incertidumbre de la medición. Se proporciona información sobre el tipo de instrumento, diseño, rango de presión aplicable, precisión, salida y costo relativo. También se proporciona información sobre dispositivos de medición de presión que se utilizan en entornos de campo, es decir, manómetros de pistón, manómetros e instrumentos de baja presión absoluta (vacío).

Estos métodos están diseñados para ayudar en la evaluación de la incertidumbre de la medición basada en la tecnología actual y el conocimiento de ingeniería, teniendo en cuenta las especificaciones de instrumentación publicadas y las técnicas de medición y aplicación. Este Suplemento proporciona orientación sobre el uso de métodos para establecer la incertidumbre de la medición de presión.

Estándar europeo (CEN)

  • EN 472: Manómetro. Vocabulario.
  • EN 837-1: Manómetros. Manómetros de tubo Bourdon. Dimensiones, metrología, requisitos y ensayos.
  • EN 837-2: Manómetros. Recomendaciones de selección e instalación de manómetros.
  • EN 837-3: Manómetros. Manómetros de cápsula y diafragma. Dimensiones, metrología, requisitos y pruebas.

Estándares ASME de EE. UU .

  • B40.100-2013: Manómetros y accesorios para manómetros.
  • PTC 19.2-2010: el código de prueba de rendimiento para la medición de presión.

Ver también

Referencias

Fuentes

enlaces externos