La medición de la presión es la medición de la fuerza que ejerce un fluido ( líquido o gas ) sobre una superficie. La presión se mide normalmente en unidades de fuerza por unidad de superficie . Se han desarrollado muchas técnicas para medir la presión y el vacío . Los instrumentos que se utilizan para medir y mostrar la presión mecánicamente se denominan manómetros, vacuómetros o manómetros compuestos (de vacío y presión). El manómetro Bourdon, muy utilizado, es un dispositivo mecánico que mide e indica y es probablemente el tipo de manómetro más conocido.
Un manómetro de vacío se utiliza para medir presiones inferiores a la presión atmosférica ambiental , que se establece como punto cero, en valores negativos (por ejemplo, −1 bar o −760 mmHg equivale a vacío total). La mayoría de los manómetros miden la presión relativa a la presión atmosférica como punto cero, por lo que esta forma de lectura se denomina simplemente "presión manométrica". Sin embargo, cualquier valor superior al vacío total es técnicamente una forma de presión. Para presiones muy bajas, se debe utilizar un manómetro que utilice el vacío total como referencia del punto cero, lo que da la lectura de presión como una presión absoluta.
Otros métodos de medición de presión implican sensores que pueden transmitir la lectura de presión a un indicador remoto o sistema de control ( telemetría ).
Las mediciones de presión cotidianas, como la presión de los neumáticos de un vehículo, se suelen realizar en relación con la presión del aire ambiente. En otros casos, las mediciones se realizan en relación con el vacío o con alguna otra referencia específica. Para distinguir entre estas referencias cero, se utilizan los siguientes términos:
La referencia al cero que se utiliza suele estar implícita en el contexto y estas palabras se añaden solo cuando se necesita una aclaración. La presión de los neumáticos y la presión sanguínea 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 en los que existe un fluido en un sistema cerrado , prevalece la medición de la presión manométrica. Los instrumentos de presión conectados al sistema indicarán presiones relativas a la presión atmosférica actual. La situación cambia cuando se miden presiones de vacío extremas, en cuyo caso se suelen utilizar presiones absolutas y los instrumentos de medición utilizados serán diferentes.
Las presiones diferenciales se utilizan comúnmente en los 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, un manómetro de este tipo realiza la operación matemática de resta a través de medios mecánicos, lo que evita la necesidad de que un operador o un sistema de control observen dos manómetros separados y determinen la diferencia en las lecturas.
Las lecturas de presión de vacío moderada 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 se mantiene constante, la presión manométrica del mismo fluido variará a medida que cambie la presión atmosférica. Por ejemplo, cuando un automóvil sube una montaña, la presión manométrica de los neumáticos aumenta porque la presión atmosférica disminuye. La presión absoluta en el neumático permanece prácticamente invariable.
El uso de la presión atmosférica como referencia se suele indicar con una "g" de manométrica después de la unidad de presión, p. ej. 70 psig, lo que significa que la presión medida es la presión total menos la presión atmosférica . Existen dos tipos de presión de referencia manométrica: manométrica ventilada (vg) y manométrica sellada (sg).
Un transmisor de presión con manómetro ventilado , por ejemplo, permite que la presión del aire exterior quede expuesta al lado negativo del diafragma sensor de presión, a través de un cable ventilado o un orificio en el costado del dispositivo, de modo que siempre mida la presión referida a la presión barométrica ambiental. Por lo tanto, un sensor de presión de referencia con manómetro ventilado siempre debe indicar presión cero cuando la conexión de presión de 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 se suele adoptar en rangos de alta presión, como los hidráulicos , donde los cambios de presión atmosférica tendrán un efecto insignificante en la precisión de la lectura, por lo que no es necesario purgar. Esto también permite que algunos fabricantes proporcionen contención de presión secundaria como precaución adicional para la seguridad del equipo de presión si se excede la presión de ruptura del diafragma de detección de presión primario.
Existe otra forma de crear una referencia de manómetro sellada, que consiste en sellar un alto vacío en el lado inverso del diafragma sensor. De esta forma, la señal de salida se compensa, de modo que el sensor de presión lea cerca de cero al medir la presión atmosférica.
Un transductor de presión de referencia con manómetro sellado nunca leerá exactamente cero porque la presión atmosférica está cambiando siempre y la referencia en este caso está fijada en 1 bar.
Para fabricar un sensor de presión absoluta , el fabricante sella un alto vacío detrás del diafragma de detección. Si la conexión de presión de proceso de un transmisor de presión absoluta está abierta al aire, leerá la presión barométrica real .
Un sensor de presión sellado es similar a un sensor de presión manométrica, excepto que mide la presión relativa a una presión fija en lugar de la presión atmosférica ambiental (que varía según la ubicación y el clima).
Durante gran parte de la historia de la humanidad, la presión de los gases como el aire se ignoró, se negó o se dio 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 cambia con los distintos niveles de presión. Podía observar cómo el agua se evaporaba y se transformaba en gas, y pensó que esto se aplicaba incluso a la materia sólida. El aire más condensado hacía que los objetos fueran más fríos y pesados, y el aire expandido hacía que los objetos fueran más ligeros y calientes. Esto era similar a cómo los gases se vuelven menos densos cuando están más calientes y más densos cuando están más fríos.
En el siglo XVII, Evangelista Torricelli realizó experimentos con mercurio que le permitieron medir la presencia de aire. Sumergía un tubo de vidrio, cerrado en un extremo, en un recipiente con mercurio y levantaba el extremo cerrado, manteniendo el extremo abierto sumergido. El peso del mercurio lo empujaba hacia abajo, dejando un vacío parcial en el otro extremo. Esto validó su creencia de que el aire/gas tiene masa, creando presión sobre las cosas que lo rodean. Anteriormente, la conclusión más popular, incluso para Galileo , era que el aire no tenía peso y que es el vacío el que proporcionaba fuerza, como en un sifón. El descubrimiento ayudó a que Torricelli llegara a la siguiente conclusión:
Vivimos sumergidos en el fondo de un océano del elemento aire, del que se sabe por experimentos incuestionables que tiene peso.
Esta prueba, conocida como el experimento de Torricelli , fue esencialmente el primer medidor de presión documentado.
Blaise Pascal fue más allá y pidió a su cuñado que intentara el experimento a diferentes altitudes en una montaña, y descubrió que, efectivamente, cuanto más abajo en el océano de la atmósfera, mayor era la presión.
La unidad de presión del SI es el pascal (Pa), equivalente a un newton por metro cuadrado (N·m −2 o kg·m −1 ·s −2 ). Este nombre especial para la unidad se añadió 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 añade una letra a la unidad psi para indicar la referencia cero de la medición; psia para absoluta, psig para manométrica, psid para diferencial, aunque esta práctica está desaconsejada por el NIST . [3]
Como antes la presión se medía comúnmente 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 el tema de los cálculos de la carga 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 se consigue fácilmente, 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" suelen estar impresas en los medidores y las mediciones 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 lo tanto, las mediciones en " milímetros de mercurio " o " pulgadas de mercurio " se pueden convertir a unidades del SI siempre que se preste atención a los factores locales de densidad del fluido y gravedad . 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 aún son comunes, como en los ajustes para las máquinas CPAP. Las presiones de las tuberías de gas natural se miden en pulgadas de agua , expresadas como "pulgadas WC"
Los buceadores utilizan unidades manométricas: la presión ambiental se mide en unidades de metros de agua de mar (msw), que se definen como iguales a una décima parte de un bar. [4] [5] La unidad utilizada en los EE. UU. es el pie de agua de mar (fsw), basada en la gravedad estándar y una densidad de 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 , [4] [5] aunque en otra parte se afirma que 33 fsw es14,7 psi (una atmósfera), lo que da un fsw igual a aproximadamente 0,445 psi. [6] El msw y el fsw son las unidades convencionales para la medición de la exposición a la presión del buceador utilizadas en las tablas de descompresión y la unidad de calibración para los neumofatómetros y los manómetros de la cámara hiperbárica . [7] Tanto el msw como el fsw se miden en relación con la presión atmosférica normal.
En los sistemas de vacío, las unidades más utilizadas son torr (milímetro de mercurio), micrón (micrómetro de mercurio) [8] y pulgada de mercurio ( inHg ). Torr y micrón suelen indicar una presión absoluta, mientras que inHg suele indicar una presión manométrica.
Las presiones atmosféricas se expresan generalmente en hectopascales (hPa), kilopascales (kPa), milibares (mbar) o atmósferas ( atm ). En la ingeniería estadounidense y canadiense, la tensión se mide a menudo en kip . La tensión no es una presión verdadera ya que no es escalar . En el sistema cgs la unidad de presión era la baria (ba), igual a 1 dyn·cm −2 . En el sistema mts , la unidad de presión era el pieze , igual a 1 esteno por metro cuadrado.
Se utilizan muchas otras unidades híbridas, como mmHg/cm2 o gramos-fuerza/cm2 ( a veces como kg/cm2 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 el SI es el newton (N).
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 denomina presión dinámica . Un instrumento orientado hacia la dirección del flujo mide la suma de las presiones estática y dinámica; esta medición se denomina presión total o presión de estancamiento . Dado que la presión dinámica se refiere a la presión estática, no es ni manométrica ni absoluta; es una presión diferencial.
Si bien la presión manométrica estática es de importancia primordial para determinar las cargas netas en las paredes de las tuberías, la presión dinámica se utiliza para medir los caudales 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 los aviones para determinar la velocidad del aire. La presencia del instrumento de medición actúa inevitablemente para desviar el flujo y crear turbulencia, por lo que su forma es fundamental para la precisión y las curvas de calibración a menudo no son lineales.
Un sensor de presión es un dispositivo para medir la presión de gases o líquidos . Los sensores de presión pueden denominarse alternativamente transductores de presión , transmisores de presión , transmisores de presión , indicadores de presión , piezómetros y manómetros , entre otros nombres.
La presión es una expresión de la fuerza necesaria para impedir que un fluido se expanda y suele expresarse en términos de fuerza por unidad de área. Un sensor de presión suele actuar como un transductor ; genera una señal en función de la presión impuesta.
Los sensores de presión pueden variar drásticamente en cuanto a tecnología, diseño, rendimiento, idoneidad para la aplicación y coste. Una estimación conservadora sería que puede haber más de 50 tecnologías y al menos 300 empresas que fabrican sensores de presión en todo el mundo. También existe una categoría de sensores de presión que están diseñados para medir en un modo dinámico para capturar cambios de presión a muy alta velocidad. Un ejemplo de aplicación para este tipo de sensor sería la medición de la presión de combustión en un cilindro de motor o en una turbina de gas. Estos sensores suelen fabricarse con materiales piezoeléctricos como el cuarzo.
Algunos sensores de presión son presostatos , que se activan o desactivan a una determinada presión. Por ejemplo, una bomba de agua puede controlarse mediante un presostato para que se ponga en marcha cuando se libera agua del sistema, lo que reduce la presión en un depósito.
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.
Hay dos categorías básicas de sensores de presión analógicos: colector de fuerza y otros tipos.
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Un sensor de presión, un extensómetro de cristal de cuarzo resonante con un colector de fuerza de tubo Bourdon , es el sensor crítico de DART . [16] DART detecta olas de tsunami desde el fondo del océano abierto. Tiene una resolución de presión de aproximadamente 1 mm de agua al medir la presión a una profundidad de varios kilómetros. [17]
Los manómetros 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 mide y pueden diseñarse para que tengan una calibración muy lineal. Tienen una respuesta dinámica deficiente.
Los manómetros de tipo pistón contrarrestan la presión de un fluido con un resorte (por ejemplo, manómetros de presión de neumáticos de precisión comparativamente baja) o un peso sólido, en cuyo caso se los conoce como comprobadores de peso muerto y pueden usarse para calibrar otros manómetros.
Los manómetros 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 lleno hasta la mitad 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 h y 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 (mostrado en azul en la figura) debe estar equilibrada (ya que el líquido es estático), y por lo tanto P a = P 0 + hgρ .
En la mayoría de las mediciones en 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 la carga de presión . Cuando se expresa como carga de presión, la presión se especifica en unidades de longitud y se debe especificar el fluido de medición. Cuando la precisión es crítica, también se debe especificar la temperatura del fluido de medición, porque la densidad del líquido es una función de la temperatura . Entonces, por ejemplo, la carga de presión se puede escribir "742,2 mm Hg " o "4,2 in H 2 O a 59 °F" para mediciones tomadas con mercurio o agua como fluido manométrico respectivamente. La palabra "manométrico" 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 cargas de presión comunes, que se pueden convertir a unidades de presión del SI utilizando la conversión de unidades y las fórmulas anteriores.
Si el fluido que se está midiendo es significativamente denso, es posible que se deban realizar 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 se debe corregir restando la densidad del fluido que se está midiendo. [18]
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 significa que no habrá errores de presión por humedecer el vidrio, aunque en circunstancias excepcionalmente limpias, el mercurio se pegará al vidrio y el barómetro puede atascarse (el mercurio puede mantener una presión absoluta negativa ) incluso bajo un fuerte vacío. [19] Para bajas diferencias de presión, se utilizan comúnmente aceite ligero o agua (este último da lugar a unidades de medida como pulgadas de calibre de agua y milímetros de H 2 O ). Los manómetros de columna de líquido tienen una calibración altamente lineal. Tienen una respuesta dinámica deficiente porque el fluido en 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 del 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 utiliza mercurio como fluido manómetro para medir la presión diferencial de un fluido como el agua. Los medidores hidrostáticos simples pueden medir presiones que van desde unos pocos torrs (unos pocos cientos de 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 angosta. 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 [20]
Un manómetro 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 y no es adecuada para el monitoreo continuo, pero es capaz de ofrecer 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 un 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 comprimen lo suficiente.
0,1 mPa es la medición directa de presión más baja que es posible con la tecnología actual. Otros vacuómetros pueden medir presiones más bajas, pero solo de manera indirecta mediante la medición de otras propiedades dependientes de la presión. Estas mediciones indirectas deben calibrarse a unidades del SI mediante una medición directa, generalmente un manómetro McLeod. [22]
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 a estos manómetros de los manómetros hidrostáticos descritos anteriormente. Sin embargo, los manómetros aneroides se pueden utilizar para medir la presión de un líquido así como de un gas, y no son el único tipo de manómetro que puede funcionar sin fluido. Por esta razón, a menudo se los llama manómetros mecánicos en el lenguaje moderno. Los manómetros aneroides no dependen del tipo de gas que se mida, a diferencia de los manómetros térmicos y de ionización, y es menos probable que contaminen el sistema que los manómetros hidrostáticos. El elemento sensor de presión puede ser un tubo 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 deflexión 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 manómetros de vacío modernos miden un cambio en la capacitancia debido a la deflexión mecánica. Los manómetros que dependen de un cambio en la capacitancia a menudo se denominan manómetros de capacitancia.
El manómetro Bourdon utiliza el principio de que un tubo aplanado tiende a enderezarse o recuperar su forma circular en la sección transversal cuando se lo presuriza (un cuerno de fiesta ilustra este principio). Este cambio en la sección transversal puede ser apenas perceptible, ya que implica tensiones moderadas dentro del rango elástico de materiales fácilmente trabajables. La deformación del material del tubo se magnifica al darle al tubo una forma de C o incluso de hélice, de modo que todo el tubo tiende a enderezarse o desenrollarse elásticamente a medida que se lo presuriza. Eugène Bourdon patentó su manómetro en Francia en 1849 y fue ampliamente adoptado debido a su superior simplicidad, linealidad y precisión; Bourdon ahora es parte del grupo Baumer y todavía fabrica manómetros de tubo Bourdon en Francia. Edward Ashcroft compró los derechos de patente estadounidenses de Bourdon en 1852 y se convirtió en un importante fabricante de manómetros. También en 1849, Bernard Schaeffer en Magdeburgo, Alemania, patentó un exitoso manómetro de diafragma (ver abajo), que, junto con el manómetro Bourdon, revolucionó la medición de presión en la industria. [23] Pero en 1875, después de que expiraran las patentes de Bourdon, su compañía Schaeffer y Budenberg también fabricó manómetros de tubo Bourdon.
En la práctica, un tubo aplanado de pared delgada y extremo cerrado se conecta en el extremo hueco a una tubería fija 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 un) engranaje mediante un enlace de conexión que generalmente es ajustable. Un engranaje de piñón de diámetro pequeño se encuentra en el eje del indicador, por lo que el movimiento se magnifica aún más por la relación de transmisión . La ubicación de la tarjeta indicadora detrás del indicador, la posición inicial del eje del indicador, la longitud del enlace y la posición inicial, todos proporcionan medios para calibrar el indicador para indicar el rango deseado de presión para variaciones en el comportamiento del propio tubo Bourdon. La presión diferencial se puede medir con manómetros que contienen dos tubos Bourdon diferentes, con enlaces de conexión (pero se mide más habitualmente a través de diafragmas o fuelles y un sistema de equilibrio).
Los tubos Bourdon miden la presión manométrica , relativa a la presión atmosférica ambiental, en oposición a la presión absoluta ; el vacío se detecta como un movimiento inverso. Algunos barómetros aneroides utilizan tubos Bourdon cerrados en ambos extremos (pero la mayoría utilizan diafragmas o cápsulas, véase más abajo). Cuando la presión medida es pulsante rápida, como cuando el manómetro está cerca de una bomba reciprocante , se utiliza con frecuencia una restricción de orificio en la tubería de conexión para evitar un desgaste innecesario de los engranajes y proporcionar una lectura promedio; cuando todo el manómetro está sujeto a vibración mecánica, la caja (incluidos el puntero y el dial) se puede llenar con aceite o glicerina . Los manómetros modernos típicos de alta calidad proporcionan una precisión de ±1% del rango (diámetro nominal 100 mm, Clase 1 EN837-1), y un manómetro especial de alta precisión puede ser tan preciso como el 0,1% de la escala completa. [24]
Los sensores de tubo 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. [25] 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 de un manómetro compuesto (de vacío y presión manométrica), se han quitado la caja y la ventana para mostrar solo el dial, el puntero y la conexión de proceso. Este manómetro en particular es una combinación de manómetro de vacío y presión que se utiliza para diagnóstico automotriz:
Los detalles mecánicos incluyen partes fijas y móviles.
Partes estacionarias:
Partes móviles:
Un segundo tipo de manómetro aneroide utiliza la deflexión de una membrana flexible que separa regiones de diferente presión. La cantidad de deflexión es repetible para presiones conocidas, por lo que la presión se puede determinar mediante 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 estar sellada contra el 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. El rango útil está por encima de 10 −2 Torr (aproximadamente 1 Pa ). [26] Para mediciones absolutas, a menudo se utilizan cápsulas de presión soldadas con diafragmas en ambos lados. Las formas de membrana incluyen:
En los manómetros diseñados para 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 accionados por una cámara de fuelle cerrada y sellada, llamada aneroide . (Los primeros barómetros usaban una columna de líquido como agua o el metal líquido mercurio suspendido al vacío ). Esta configuración de fuelle se usa en barómetros aneroides (barómetros con una aguja indicadora y una tarjeta de cuadrante), altímetros , barógrafos de registro de altitud y los instrumentos de telemetría de altitud utilizados en radiosondas de globos meteorológicos . Estos dispositivos usan la cámara sellada como presión de referencia y son accionados por la presión externa. Otros instrumentos de aeronaves sensibles, 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 de cierre externa.
Estos manómetros utilizan la atracción de dos imanes para convertir la presión diferencial en movimiento de un indicador de cuadrante. A medida que aumenta la presión diferencial, se mueve un imán unido a un pistón o diafragma de goma. A continuación, un imán giratorio unido a un indicador se mueve al unísono. Para crear diferentes rangos de presión, se puede aumentar o disminuir la velocidad del resorte.
El medidor de rotor giratorio funciona midiendo cómo se frena una bola giratoria por la viscosidad del gas que se está midiendo. La bola está hecha de acero y se 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 acelera (aproximadamente 2500 o 3800 rad /s), y la tasa de desaceleración se mide después de apagar el motor, mediante transductores electromagnéticos. [27] El rango del instrumento es de 5 −5 a 10 2 Pa (10 3 Pa con menor precisión). Es lo suficientemente preciso y estable como para usarse como un estándar secundario . Durante los últimos años, este tipo de medidor se volvió mucho más fácil de usar y operar. En el pasado, el instrumento era famoso por requerir cierta habilidad y conocimiento para usarlo correctamente. Para mediciones de alta precisión se deben aplicar varias correcciones y la bola debe girar a una presión muy por debajo de la presión de medición deseada durante cinco horas antes de usarla. Es más útil en laboratorios de calibración e investigación donde se requiere alta precisión y hay técnicos calificados disponibles. [28] El control del vacío de aislamiento de líquidos criogénicos también es una aplicación adecuada para este sistema. Con un sensor soldable, estable a largo plazo y económico, que se puede separar de los componentes electrónicos más costosos, es una opción perfecta para todos los sistemas de vacío estático.
Este es un diagrama demasiado simplificado, pero se puede ver el diseño fundamental de los puertos internos del sensor. El elemento importante que hay que tener en cuenta aquí es el "diafragma", ya que es el sensor en sí. ¿Tiene una forma ligeramente convexa (muy exagerada en el dibujo)? Esto es importante ya que afecta a la precisión del sensor en uso.
La forma del sensor es importante porque está calibrado para funcionar en la dirección del flujo de aire, como lo muestran las flechas ROJAS. Este es el funcionamiento 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 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...
El modelo eléctrico efectivo del transductor, junto con un circuito básico de acondicionamiento de señal, se muestra en el esquema de aplicación. El sensor de presión es un puente Wheatstone completamente activo que ha sido compensado por temperatura y ajustado por medio de resistencias de película gruesa recortadas por láser. 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 se establece mediante 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 la selección de escala, retención de datos, funciones de cero y filtro, la función de registro que almacena/muestra MÁX./MÍN.
En general, a medida que un gas real aumenta su densidad (lo que puede indicar un aumento de la presión ), aumenta su capacidad para conducir el calor. En este tipo de medidor, se calienta un filamento de alambre al pasar una corriente a través de él. Luego se puede utilizar un termopar o un termómetro de resistencia (RTD) para medir la temperatura del filamento. Esta temperatura depende de la velocidad a la que el filamento pierde calor hacia el gas circundante y, por lo tanto, de la conductividad térmica . Una variante común es el medidor Pirani , que utiliza un solo filamento de platino como elemento calefactor 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.
Un manómetro Pirani consiste en un alambre de metal abierto a la presión que se mide. El alambre se calienta mediante una corriente que fluye a través de él y se enfría mediante el gas que lo rodea. Si se reduce la presión del gas, el efecto de enfriamiento disminuirá, por lo tanto, la temperatura de equilibrio del alambre aumentará. La resistencia del alambre es una función de su temperatura : midiendo el voltaje a través del alambre 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 manómetro fue inventado por Marcello Pirani .
En los medidores de dos cables, una bobina de cable se utiliza como calentador y la otra se utiliza para medir la temperatura debido a la convección . Los medidores de termopar y los medidores de termistor funcionan de esta manera utilizando un termopar o un termistor , respectivamente, para medir la temperatura del cable calentado.
Los medidores de ionización son los más sensibles para presiones muy bajas (también conocidas como vacío duro o alto vacío). Detectan la presión indirectamente midiendo los iones eléctricos que se producen 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, 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 átomos de gas y generan iones positivos . Los iones son atraídos por un electrodo polarizado adecuadamente 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 lo tanto, la medición de la corriente del colector proporciona la presión del gas. Existen varios subtipos de medidores de ionización.
La mayoría de los medidores de iones son de dos tipos: de cátodo caliente y de 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 las moléculas de gas a su alrededor. Los iones resultantes se recogen en un electrodo negativo. La corriente depende de la cantidad de iones, que a su vez depende de la presión en el medidor. 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 superficiales. Su calibración puede invalidarse por activación a presión atmosférica o bajo vacío. La composición de los gases en altos vacíos suele ser impredecible, por lo que se debe utilizar un espectrómetro de masas junto con el medidor de ionización para obtener una medición precisa. [29]
Un medidor de ionización de cátodo caliente se compone principalmente de tres electrodos que actúan juntos como un triodo , donde 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 mediante un electrómetro . El voltaje del filamento a tierra suele estar a un potencial de 30 voltios, mientras que el voltaje de la rejilla a 180-210 voltios de CC, a menos que haya una función opcional de bombardeo de electrones , mediante el calentamiento de la rejilla, 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 por lo general el medidor desnudo se inserta en la cámara de vacío directamente, y las clavijas se introducen a través de una placa de cerámica en la pared de la cámara. Los medidores 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 mediciones de un medidor de ionización de cátodo caliente son siempre logarítmicas.
Los electrones emitidos por el filamento se mueven varias veces en movimientos de ida y vuelta alrededor de la rejilla antes de entrar finalmente en ella. Durante estos movimientos, algunos electrones chocan con una molécula gaseosa para formar un par de iones y electrones ( ionización electrónica ). La cantidad de estos iones es proporcional a la densidad de moléculas gaseosas 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 moléculas gaseosas es proporcional a la presión, la presión se estima midiendo la corriente de iones.
La sensibilidad a baja presión de los medidores de cátodo caliente está limitada por el efecto fotoeléctrico. Los electrones que chocan contra 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 de Bayard-Alpert a aproximadamente 10 −10 Torr. 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 cable, sino por un cono abierto. Como los iones no pueden decidir qué parte del cono chocar, pasan a través del orificio y forman un haz de iones. Este haz de iones puede transmitirse a:
Existen 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 ambos 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. Los magnetrones invertidos pueden medir hasta 1 × 10 −12 Torr .
De la misma manera, los medidores de cátodo frío pueden mostrarse reacios a arrancar a presiones muy bajas, ya que la casi ausencia de gas dificulta el establecimiento de una corriente de electrodo, en particular en los medidores Penning, que utilizan un campo magnético axialmente simétrico para crear longitudes de trayectoria para los electrones del orden de metros. En el aire ambiente, los pares de iones adecuados se forman de forma ubicua mediante la radiación cósmica; en un medidor Penning, se utilizan características de diseño para facilitar la configuración de una trayectoria de descarga. Por ejemplo, el electrodo de un medidor Penning suele estar finamente afilado para facilitar la emisión de electrones en el campo.
Los ciclos de mantenimiento de los medidores de cátodo frío se miden, en general, en años, dependiendo del tipo de gas y la presión en la que se operan. El uso de un medidor de cátodo frío en gases con componentes orgánicos sustanciales, como fracciones de aceite de bomba, puede resultar en el crecimiento de delicadas películas y fragmentos de carbono dentro del medidor que eventualmente provocan un cortocircuito en los electrodos del medidor o impiden la generación de una ruta de descarga.
Cuando los flujos de fluidos no están en equilibrio, las presiones locales pueden ser mayores o menores que la presión promedio en un medio. Estas perturbaciones se propagan desde su fuente como variaciones de presión longitudinales a lo largo del camino de propagación. Esto también se llama sonido. La presión sonora es la desviación instantánea de la presión local con respecto a la presión promedio causada por una onda sonora. La presión sonora se puede medir utilizando un micrófono en el aire y un hidrófono en el agua. La presión sonora efectiva es la raíz cuadrada media de la presión sonora instantánea durante un intervalo de tiempo determinado. Las presiones sonoras normalmente son pequeñas y a menudo se expresan en unidades de microbar.
La Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME) ha desarrollado dos normas independientes y distintas sobre medición de presión, B40.100 y PTC 19.2. B40.100 proporciona pautas sobre manómetros de presión con indicador de presión digital y de tipo dial, sellos de diafragma, amortiguadores y válvulas limitadoras de presión. PTC 19.2 proporciona instrucciones y orientación para la determinación precisa de valores de presión en apoyo de los códigos de prueba de rendimiento de ASME. La elección del método, los instrumentos, los cálculos necesarios y las correcciones que se deben aplicar dependen del propósito de la medición, la incertidumbre admisible y las características del equipo que se está probando.
También se proporcionan los métodos de medición de 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, el diseño, el rango de presión aplicable, la precisión, el rendimiento y el costo relativo. También se proporciona información sobre los 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 a evaluar la incertidumbre de la medición en función de la tecnología actual y los conocimientos 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 la presión.
Los sensores de presión tienen muchas aplicaciones:
Aquí la medida de interés es la presión , expresada como fuerza por unidad de área. Esto es útil en la instrumentación meteorológica, aeronaves, automóviles y cualquier otra maquinaria que tenga implementada la función de presión.
Esto es útil en aeronaves, cohetes, satélites, globos meteorológicos y muchas otras aplicaciones. Todas estas aplicaciones hacen uso de la relación entre los cambios de presión en relación con la altitud. Esta relación está gobernada por la siguiente ecuación: [31] Esta ecuación está calibrada para un altímetro , hasta 36.090 pies (11.000 m). Fuera de ese rango, se introducirá un error que se puede calcular de forma diferente para cada sensor de presión diferente. Estos cálculos de error tendrán en cuenta el error introducido por el cambio de temperatura a medida que subimos.
Los sensores de presión barométrica pueden tener una resolución de altitud de menos de 1 metro, lo que es significativamente mejor que los sistemas GPS (resolución de altitud de aproximadamente 20 metros). En aplicaciones de navegación, los altímetros se utilizan para distinguir entre los niveles de carreteras apiladas para la navegación de automóviles y los niveles de piso en edificios para la navegación de peatones.
Se trata del uso de sensores de presión junto con el efecto Venturi para medir el caudal. La presión diferencial se mide entre dos segmentos de un tubo Venturi que tienen una abertura diferente. La diferencia de presión entre los dos segmentos es directamente proporcional al caudal que pasa por el tubo Venturi. Casi siempre se requiere un sensor de baja presión, ya que la diferencia de presión es relativamente pequeña.
También se puede utilizar un sensor de presión para calcular el nivel de un fluido. Esta técnica se emplea comúnmente para medir la profundidad de un cuerpo sumergido (como un buzo o un submarino) o el nivel del contenido de un tanque (como en una torre de agua). Para la mayoría de los propósitos prácticos, el nivel del fluido es directamente proporcional a la presión. En el caso del agua dulce donde el contenido está bajo presión atmosférica, 1 psi = 27,7 inH 2 O / 1 Pa = 9,81 mmH 2 O. La ecuación básica para tal medición es donde P = presión, ρ = densidad del fluido, g = gravedad estándar, h = altura de la columna de fluido por encima del sensor de presión.
Se puede utilizar un sensor de presión para detectar la caída de presión debido a una fuga del sistema. Esto se hace comúnmente mediante una comparación con una fuga conocida utilizando presión diferencial o utilizando el sensor de presión para medir el cambio de presión a lo largo del tiempo.
Un piezómetro es un dispositivo que se utiliza para medir la presión de un líquido en un sistema midiendo la altura a la que se eleva una columna de líquido contra la gravedad, o un dispositivo que mide la presión (más precisamente, la carga piezométrica ) del agua subterránea [32] en un punto específico. Un piezómetro está diseñado para medir presiones estáticas y, por lo tanto, se diferencia de un tubo de Pitot en que no está apuntando hacia el flujo de fluido. Los pozos de observación brindan cierta información sobre el nivel del agua en una formación, pero deben leerse manualmente. Los transductores de presión eléctricos de varios tipos se pueden leer automáticamente, lo que hace que la adquisición de datos sea más conveniente.
Los primeros piezómetros en ingeniería geotécnica fueron pozos abiertos o columnas hidrantes (a veces llamados piezómetros Casagrande ) [33] instalados en un acuífero . Un piezómetro Casagrande normalmente tendrá una carcasa sólida hasta la profundidad de interés, y una carcasa ranurada o filtrada dentro de la zona donde se mide la presión del agua. La carcasa está sellada en el pozo de perforación con arcilla, bentonita u hormigón para evitar que el agua superficial contamine el suministro de agua subterránea. En un acuífero no confinado, el nivel del agua en el piezómetro no coincidiría exactamente con el nivel freático , especialmente cuando el componente vertical de la velocidad del flujo es significativo. En un acuífero confinado en condiciones artesianas , el nivel del agua en el piezómetro indica la presión en el acuífero, pero no necesariamente el nivel freático. [34] Los pozos piezométricos pueden tener un diámetro mucho menor que los pozos de producción, y es común una columna hidrante de 5 cm de diámetro.
Los piezómetros en carcasas duraderas se pueden enterrar o introducir en el suelo para medir la presión del agua subterránea en el punto de instalación. Los manómetros (transductores) pueden funcionar con cuerda vibrante, neumáticos o extensómetros, convirtiendo la presión en una señal eléctrica. Estos piezómetros se conectan a la superficie con cables, donde se pueden leer mediante registradores de datos o unidades de lectura portátiles, lo que permite una lectura más rápida o más frecuente que la que es posible con los piezómetros de tubo vertical abierto.
