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Principios de Medida - Presión
James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
En esta presentación:
Definición de presiónUnidades de Medida de Presión Ley de PascalEjemplos de cálculo de presiónElementos de Medida de PresiónPressure GaugeExplicación del “Strain Gage” y sus circuitosExplicación del Método de Capacitancia y sus circuitos Instrumentos de medición y transmisión de presiónCalibración de elementos de Presión
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James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
Presión es una variable física que se representa con la letra “p” (minúscula)
Presión es una fuerza ejercida por un fluído sobre un área específica:
Si existe una fuerza (1 lb.) de un fluidoejerciendo sobre un área de 1 in2,entonces la presión es de 1 lb. porpulgada cuadrada (1lb./in2), tambienconocido como psi (pound per square inch).
p = F / Ap = 1 lb. ÷ 1in2
p = 1 lb./1in2
p = 1 psi
1 in1 in
Fuerza = 1 lb.
Área = 1 in x 1 in = 1 in2
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En Métrico:
Si existe una fuerza (1 Newton) de un fluidoejerciendo sobre un área de 1 m2,entonces la presión es de 1 N pormetro cuadrado (1 N/m2), tambienconocido como pascal (Pa).
p = F / Ap = 1 N ÷ 1 m2
p = 1 N/m2
p = 1 Pascal (Pa)
1 m1 m
Fuerza = 1 N
Área = 1 m x 1 m= 1 m2
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Si el área es circular:
p = F / Ap = 1 lb. / 0.79 in2
p = 1.27 psi1 in.
Fuerza = 1 lb.
Área = π r2Área = .785 in.2Área = .79 in.2
A =.79 in2
𝐴 = π𝑟2
𝐴 = 𝜋 0.5 𝑖𝑛 2
𝐴 = 3.14 0.25 𝑖𝑛2
𝐴 = .785 𝑖𝑛2
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• La Ley de Pascal describe esta relación como:
Fuerza = Presión x ÁreaF = p x A
• De esta expresión, se desprende además:
Presión = Fuerza ÷ Áreap = F ÷ A
• Y:
Área = Fuerza ÷ PresiónA = F ÷ p
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FUERZA
PRESIONAREA
LEY DE PASCAL
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Presión “Gauge” vs. Presión Absoluta
Presión Barométrica
Presión Absoluta (psia)
Presión “Gauge” (psig)
Presión Atmosférica
Presión Cero Absoluto (Vacío)
Presión Bajo Atmosférica
Presión Sobre Atmosférica
Presión Absoluta (psia)
Presión “Gauge” ( - in Hg)
Existe una presión mínima que se puede considerar como un cero absoluto Es el vacío total Hay una escala que utiliza esta presión como su cero La presión atmosférica en esta escala es de 14.7 psia La otra escala, que es la mas utilizada, es la escala “gauge” Esta escala utiliza la presión atmosférica como su cero
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Niveles de Presión Atmosférica
0 psig (14.7 psia)
-0.052 psig (14. 65 psia)
8.8 psig (23.5psia)
-5.2 psig (9.5 psia)
-0.52 psig (14. 18 psia)
20 ft. de Profundidad
Nivel del Mar
100 ft. De Altitud
1,000 ft. de Altitud
10,000 ft. de Altitud
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Niveles de Presión Atmosférica
Al igual como existen presiones positivas, existen presiones negativas
Estas presiones son menor que la presión atmosférica en unidades “gauge” pero menor de 14.7 psi en la escala absoluta
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Conversión de Unidades de PresiónPSI KPa in. H2O mm H2O in. Hg mm Hg Bar m Bar Kg/cm2 gm/cm2
PSI 1 6.8948 27.7620 705.150 2.0360 51.7149 0.0689 68.9470 0.0703 70.3070
KPa 0.1450 1 4.0266 102.274 0.2953 7.5006 0.0100 10.0000 0.0102 10.197
in. H2O 0.0361 0.2483 1 25.4210 0.0734 1.8650 0.0025 2.4864 0.0025 2.5355
mm H2O 0.0014 0.0098 0.0394 1 0.0028 0.0734 0.0001 0.0979 0.00001 0.0982
in. Hg 0.4912 3.3867 13.6195 345.936 1 25.4000 0.0339 33.8639 0.0345 34.532
mm Hg 0.0193 0.1331 0.5362 13.6195 0.0394 1 0.0013 1.3332 0.0014 1.3595
Bar 14.5040 100.00 402.180 10215.0 29.5300 750.060 1 1000 1.0197 1019.72
m Bar 0.0145 0.1000 0.4022 10.2150 0.0295 0.7501 0.001 1 0.0010 1.0197
Kg/cm2 14.2233 97.9047 394.408 10018.0 28.9590 735.559 0.9000 980.700 1 1000
gm/cm2 0.0142 0.0979 0.3944 10.0180 0.0290 0.7356 0.0009 0.9807 0.001 1
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Ejemplo 1: Si una columna de líquido de 6 pulgadas cuadradas pesa 23 libras, ¿Que presión ejerce sobre la base de la columna?
p = F ÷ Ap = 23 lb / 6 in.2
p = 3.83 lb/in2
p = 3.83 psi
A = 3 in. x 2 in.A = 6 in.2
23 libras
3 in.
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A = 12.56 in2
Ejemplo 2: Si una columna de líquido de 4 pulgadas de diámetro pesa 56 libras, ¿Que presión ejerce sobre la base de la columna?
p = F / Ap = 56 lb / 12.56 in.2
p = 4.46 psi
56Libras
4 in. 𝐴 = π𝑟2
𝐴 = 𝜋 2 𝑖𝑛 2
𝐴 = 3.14 4 𝑖𝑛2
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A = 16,286 in2
Ejemplo 3: Si hay un gas a 100 psi en un cilindro de 12 pies de diámetro,¿Que fuerza ejerce sobre los lados planos del cilindro?
100 psi 12 Ft.
F = p x AF = 100 psi x 16277.76 in2
F = 1,627,776 lbs.
A = 16277.76 in2
𝐴 = π𝑟2
𝐴 = 𝜋 72 𝑖𝑛 2
𝐴 = 3.14 5184 𝑖𝑛2
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Ejemplo 4: ¿Qué diámetro tiene un pistón que levanta un auto de 2,000 lbs. con 500 psi de presión hidráulica?
? in.
A = F ÷ pA = 2,000 lbs ÷ 500 psiA = 4 in2
500 psi
2,000 lbs.
4 in2
dia. = 2.26 in.
A = π 𝑟2
𝑟2 = 𝐴 π
𝑟2 = 4 𝑖𝑛23.14
𝑟2 = 1.27 𝑖𝑛2
r = 1.27 𝑖𝑛2
r = 1.13 𝑖𝑛2
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Presión de Fluidos en Volumen
La presión estática en un volumen es igual en todas sus direcciones
P
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Presión de Fluidos en una Tubería
La presión estática en una tubería es igual en todas sus dimensiones
PP
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Presión de Fluidos en una Tubería
La presión dinámica puede variar dependiendo de factores como cantidad de flujo, fricción de la tubería, curvaturas y elevaciones en la tubería, válvulas u otras restricciones que tenga la línea
Menor Velocidad = Mayor Presión Mayor Velocidad = Menor Presión
Perfil del Flujo
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Elementos de Medida de Presión:
Bourdon Tube:
Utiliza principio de elasticidad de los metales.
Las curvaturas tienden a querer enderezar si se le aplica presión
Es el método mecánico más utilizado Se usa en los “Pressure Gauges” Requiere uso de transmisión
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Elementos de Medida de Presión:
Bellows:
Utiliza principio de elasticidad de los metales (Tipo acordeón).
Tiene mas presición que el Tubo Bourdon
No requiere transmisión Tiene movimiento lineal
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Elementos de Medida de Presión:
Heliciode:
Utiliza el mismo principio de los Tubo Bourdon
Es el método mecánico más preciso No requiere transmisión Es mas costoso
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Elementos de Medida de Presión:
U-Tube:
Es el método más antiguo de medición de presión
Utiliza el principio del desplazamiento de volúmen
Su presición es superior Sólo para presiones bajas Se puede utilizar para medir
presiones diferenciales
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Elementos de Medida de Presión:
Diafragma:
Se usa cuando no hay mucho espacio disponible
Tiene límites de presión Su movimiento no es lineal
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Pressure Gauge
Es el dispositivo más utilizado en medición de presión
Utiliza el Bourdon Tube en la mayoría de los casos
Otro método utilizado es el Helicoid Tube
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Pressure Gauge Data Sheet (WIKA)
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Pressure Gauge Data Sheet (Ashcroft)
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Pressure Gauge Data Sheet (3-D)
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Low Pressure Gauge (Manómetro Inclinado)
Se utiliza para medir presiones ultra-bajas
La curvatura amplifica la linealidad de la escala
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Elementos de Medida de Presión:
Strain Gage (Piezoresistivo):
Utiliza el principio de resistividad de los materiales
Se combina con circuitos electrónicos para producir señales de transmisión
No tiene límites de presión No tiene partes movibles Es el método más utilizado en los
transmisores de presión
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Elementos de Medida de Presión:Capacitancia:
Utiliza el principio del cómputo de capacitancia de un capacitor
Se combina con circuitos electrónicos para producir señales de transmisión
Tiene límites de presión Tiene partes movibles Es uno de los métodos más utilizado
en los transmisores de presión
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Elementos de Medida de Presión:
Strain Gage:
La resistencia de un conductor depende de su coeficiente de resistividad, su largo y su área seccional.
Resistencia en ohmios (Ω), Resistividad en ohmios ∙ in. (𝜌) y área en circular mils (in).
Si el largo aumenta, también la resistencia. Si el área aumenta, la resistencia baja.
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Elementos de Medida de Presión:
Strain Gage:
Conductor (Cobre)𝜌 = 0.0001325 Ω ∙ in.
L
A
Ejemplo 1:¿Cual es la resitencia de un conductor de cobre tamaño AWG 12 y de una pulgada de largo?
𝑅 = 𝜌𝐿
𝐴
𝑅 = .0001325 𝛺 · 𝑖𝑛1 𝑖𝑛
0.00653 𝑐𝑚𝑖𝑙𝑅 = .0203 𝛺
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Elementos de Medida de Presión:
Strain Gage:
Si aplicamos una presión sobre el conductor, de tal manera que aumente su largo a 1.05 in., entonces habremos aumentado su resistencia.
Conductor (Cobre)𝜌= 0.0001325 Ω ∙ in.
L
A
𝑅 = 𝜌𝐿
𝐴
𝑅 = .0001325 𝛺 · 𝑖𝑛1.05 𝑖𝑛
0.00653 𝑐𝑚𝑖𝑙𝑅 = .0213 𝛺
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Elementos de Medida de Presión:
Strain Gage:
Si removemos presión sobre el conductor, de tal manera que disminuya su largo a .95 in., entonces habremos cambiado su resistencia.
Conductor (Cobre)𝜌=0.0000661416 Ω ∙ in.
L
A
𝑅 = 𝜌𝐿
𝐴
𝑅 = .0001325 𝛺 · 𝑖𝑛.95 𝑖𝑛
0.00653 𝑐𝑚𝑖𝑙𝑅 = .0193 𝛺
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Elementos de Medida de Presión:
Strain Gage:
Entre los terminales del “Strain Gage” se mide una resistencia que cambia con la presión aplicada al conjunto de conductores.
Al aplicar presión, el largo aumenta y la resistencia también aumenta.
Terminales
Conjunto de conductores
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Elementos de Medida de Presión:
Strain Gage:
Al disminuir la presión, el largo disminuye y la resistencia baja.
Terminales
Conjunto de conductores
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Elementos de Medida de Presión:
Strain Gage:
Como recordamos de los divisores de voltaje, si RSG aumenta, también VSG.
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Elementos de Medida de Presión:
Strain Gage:
Por lo tanto, el aumento en presión al “StrainGage” provoca un aumento en resistencia y en el voltaje que pasa por el “Strain Gage”.
↑
↑
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Elementos de Medida de Presión: Strain Gage:
Al analizar este circuito, nos damos cuenta de la aplicación en detalle.
Son dos divisores de voltaje utilizado en instrumentación, llamado “WheatsoneBridge”.
Este circuito responde a la equación:
VG
R4
R1R3
RSG
VS
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Elementos de Medida de Presión: Strain Gage:
Al analizar este circuito, nos damos cuenta de la aplicación en detalle.
R#1 aumentará su resistencia y R#2 disminuirá su resistencia
R#3
R#4
VG
VS
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Elementos de Medida de Presión: Strain Gage:
Esto nos da el doble del efecto al tener una resistencia aumentando y el otro reduciendo su resistencia.
R#3
R#4
VG
VS
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Elementos de Medida de Presión: Strain Gage:
R#3
R#4
VG
VS
El aumento en presión provoca que R2 disminuya que R1
aumente su resistencia.Esto hace doblemente sensitivo al circuito, ya que R2 está en el
numerador y R1 está en el denominador de la fórmula.
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Elementos de Medida de Presión: Strain Gage:
Una disminución en presión provoca que R2 aumente y que R1
disminuya su resistencia.
R#3
R#4
VG
VS
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Elementos de Medida de Presión: La capacitancia de un capacitor depende del área de las
placas, la distancia y el dieléctrico del material entre éstas:
Capacitancia en Faradios, distancia en pulgadas, área en pulgadas cuadradas y dieléctrico en F/m
d
y
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Elementos de Medida de Presión:Capacitancia:
Si el área de las placas y el dieléctrico del material son constantes, entonces podremos cambiar la capacitancia al alterar la distancia entre las placas
PresiónDiafragma de Medición
Placas del Capacitor Sustrato
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Elementos de Medida de Presión:Capacitancia:
Al igual que con el strain gage, el sensor de capacitancia se alimenta a través de un puente pero con la diferencia de que se suple una frecuencia conocida para que el cambio en capacitancia atenúe esta señal
Esta señal luego es rectificada para convertirlo a una señal DC estable
Oscilador Capacitor
Presión
Onda Onda Atenuada
Rectificador
Señal Rectificada
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Elementos de Medida de Presión:Transmisor de Presión:
Electrónica del Transmisor
Cámara del sensor de Presión
Puerto de Entrada de Presión
Pantalla LCD
Puerto para Cableado
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Elementos de Medida de Presión:Transmisor de Presión:
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Calibración Elementos de Medida de Presión:
Dead Weight Tester:
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Calibración Elementos de Medida de Presión:
Manómetros de Presión:
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Calibración Elementos de Medida de Presión:
Fluke 725 y Módulo de Presión:
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Calibración Elementos de Medida de Presión:
Bombas Manuales de Generación de Presión: