Hola controleras y controleros sean bienvenidos una vez más a otra entrada de nuestro curso de intrumentación, en el día de hoy vamos a aprender un poco sobre los medidores de presión, como estos funcionan y muy importante como podemos modelarlos matemáticamente para incluirlos en los cálculos de nuestros lazos de control en malla cerrada.
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Antes de comenzar a entender sobre los diferentes sensores o medidores de presión industrial que existen y ver su funcionamiento, lo primero que debemos conocer es la definición de esta variable física.
La presión: es una variable que es caracterizada como la fuerza que se ejerce sobre un objeto perpendicularmente por unidad de área.
donde, es presión, es fuerza y es el área.
Existen diferentes clases de presiones las cuales pueden ser medidas con instrumentos industriales, estos sensores de presión serán muy comunes en la mayoría de fabricas asi que es importante que entiendas que es lo que estan sensando estos medidores de presión.
Por ejemplo la presión de que ejerce una columna de liquido es conocida como presión hidrostática, y se caracteriza por la altura del liquido en pulgadas o milímetro de agua
La presión de un gas por su parte, puede entenderse como la presión que ejerce cualquier gas sobre el recipiente que lo contiene, donde puede controlarse aumentando o disminuyendo la temperatura del gas o simplemente comprimiendo o descomprimiendo el tanque.
La presión Cero o Cero Absoluto teoricamente se daría si no existiera aire o presión en el interior de la tierra, es por eso que este punto se toma como referencia para la medida de presión
Presión Absoluta
Mide con relación al cero absoluto de presión. Este es el tipo de presión que existe por ejemplo dentro de una tubería, que es donde no existe la presión atmosférica
Presión Atmosférica
la superficie terrestre genera este tipo de presión, y esta puede ser medida a través de un barómetro, donde a nivel del mar la presión es próxima a los 760mm de mercurio absoluto. Siempre que se mide la presión de un gás se debe llevar en consideración la presión atmosférica.
Presión Relativa
es la diferencia existente entre la presión absoluta y la presión atmosférica. Aplicada principalmente cuando la presión absoluta es mayor que la atmosférica, en caso contrario esta presión será negativa y se conoce como presión de vacío.
Presión Diferencial
es la diferencia entre dos presiones y formando un diferencial .
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Medidores de Presión Industrial
Los medidores o sensores de presión son herramientas fundamentales para medir y controlar la presión en una amplia variedad de aplicaciones industriales. Estos dispositivos precisos y confiables son esenciales para garantizar la seguridad y eficiencia en los procesos de la industria.
Las técnicas más simples para realizar medición de presión es a través de medidores mecánicos, tales como el manómetro o tubo de bourdon. Sin embargo, existen otros principios utilizados para realizarla medición de presión como el piezoelectrico, inductivo, el capacitivo o el resistivo. Veamos el funcionamiento de un sensor de presión basado en estos principios.
Antes que nada, podemos clasificar los medidores de presión en tres tipos distintos:
Columna liquida: Son sensores que no poseen señales eléctricas y que únicamente poseen una indicación local, ejemplo manómetro de tubo en U, manómetro de tubo inclinado, manómetro de toro pendular, manómetro de campana.
Elementos elásticos: Se basan en la alteración física de un material elástico cuando es sometido a una presión, no tienen señales eléctricas y son usados para mediciones locales. Ejemplo: manómetro o tubo de bourdon.
Medidores especiales: Generan señales eléctricas permitiendo su conexión con transmisores industriales. Ejemplo, piezoeléctrico, inductivo, el capacitivo o el resistivo.
Existen diferentes tipos de medidores o sensores de presión, cada uno diseñado para adaptarse a diferentes aplicaciones y requisitos. Los medidores de presión absolutos, relativos y diferenciales son comunes en la industria, cada uno con sus propias ventajas y desventajas. Los medidores de presión de vacío y de sobrepresión también son importantes en ciertas aplicaciones.
Los medidores de presión electrónicos son cada vez más populares en la industria debido a su precisión, estabilidad y facilidad de uso. Estos dispositivos utilizan transductores de presión para convertir la presión mecánica en una señal eléctrica que puede ser medida y procesada.
Veamos algunos de los medidores de presión mas comunes y entendamos el funcionamiento de sensado de presión de estos instrumentos industriales.
Manómetro de Tubo en U
utilizados en la medición de presiones bajas utilizando el principio de balance de equilibrios de presión en una columna liquida. Este dispositivo mide la diferencia entre dos fluidos, esta diferencia de presión puede ser calculada como:
Donde es la diferencia de presión , es la densidad del fluido manométrico, es la densidad del fluido que circula por la tubería en la que se está realizando la medición, es la gravedad y es la altura que existe entre las dos columnas del tubo en U.
Manómetro por tubo de Bourdon
Es construido por un tubo de sección elíptica que forma un anillo casi completo. Cuando aumentamos la presión al interior de este tubo, tiende a deformarse manipulando la aguja indicadora por un sector dentado y un piñon.
El diafragma
Es un dispositivo de medición de presión que se constituye de una superficie ondulada que cuando recibe presión se deforma provocando pequeños desplazamientos que son amplificados por un juego de palancas. Cualquier técnica que detecte el desplazamiento de esa superficie puede ser aplicada sobre el dispositivo.
Fuelle
El fluido entra en una cámara que se deforma proporcionalmente a la presión aplicada sobre el dispositivo. Está compuesto de una pieza axial flexible la cual es la encargada de dilatarse o contraerse. Al igual que el diafragma, necesita de un dispositivo capaz de detectar el desplazamiento.
Sensor de Presión Capacitivo
La señal de presión es transferida hacia un diafragma que se encuentra aislado y que posee en el otro lado del capilar un liquido que llena completamente el capilar y que se encuentra sellado, como se ve en la figura.
La presión es transmitida a través del segundo diafragma que posee el liquido sellado (aceite de silicona). La posición del diafragma es detectada a través de dos platos que conforman un capacitor y que están ubicados a ambos lados del diafragma. La carga ejercida en el capilar proveniente del proceso provoca un cambio de presión en
Sensor de Presión Piezoeléctrico
No necesitan de una fuente externa, porque es conformado por elementos piezoeléctricos que transforman la deformación sufrida en un señal eléctrico. Su desventaja es que solo es capaz de medir las derivadas de presión cuando se varia la presión el sensor es capaz de detectarla, pero si la presión es estática el sensor no es capaz de medirla.
Sensor Piezoresistivo
muy utilizados en sistemas de medición de peso como las balanzas. Estos tipos de sensores son usados en células de carga, son conocidos como galgas extensiometricas cuyo principio detecta la variación de longitud y diámetro y por consecuente la variación de resistencia, que tiene lugar cuando un hilo de resistencia se encuentra sometido a una presión.
La siguiente grafica ilustra su instalación en el caso de ser un tanque abierto o un tanque cerrado para la medición de la altura o nivel del tanque.
El principio usado para la medición de nivel parte de el concepto de la presión hidrostática al fondo del recipiente.
Presión Hidrostática
El siguiente video explica en detalle como es posible saber el nivel de un tanque a través del conocimiento de la presión hidrostática:
Dado que al tener instalado un sensor de presión al fondo del tanque, este instrumento nos indica en todo momento del valor de esta grandeza física. Por lo tanto partiendo de la ecuación de la presión hidrostática:
P=\rho g h
Despejando la altura de la ecuación anterior y conociendo la densidad del liquido al interior del recipiente y el valor de la gravedad, entonces queda demostrado como se obtiene el valor del nivel del tanque.
h=\dfrac{P}{\rho g}
Caudal en una tubería
El flujo también puede ser medido por la medición de presión. Cuando se utiliza una placa orificio por ejemplo, para reducir el diámetro de la tubulación donde fluye el material, se provoca una diferencia de presión . Ese es proporcional al cuadrado del caudal que está fluyendo en la tubulación.
Modelado de la presión diferencial por capacitancia
Dado que el transductor de presión diferencial por capacitancia es muy popular en los dispositivos que miden y transmiten presión diferencial, vamos a abordar un poco como modelar este dispositivo para nuestros lazos de control.
El diafragma contiene un liquido de llenado en ambas camaras del transmisor que le permiten conducir la presión que detecta del proceso junto con la presión de referencia a los platos capacitivos que conforman el sensor.
Cuando se ejerce una presión sobre el diafragma, se refleja un cambio de capacitancia debido a la deformación de los diafragmas provocada por la presión diferencial ejercida sobre el propio diafragma. Esto genera una señal emitida por las placas capacitivas
La señal de presión se transfiere al sensor a través de un diafragma de insolación y rellena con líquido un sistema capilar sellado con un elemento sensor de presión diferencial unido al otro extremo del capilar. Aquí, la presión se transmite a través de un segundo diafragma de insolación y llena de líquido (aceite de silicona), a un diafragma de detección. Una presión de referencia equilibrará el diafragma de detección en el otro lado de este diafragma. Un cambio en la presión P1 de una unidad de procesamiento hará que la presión P2 cambie al final del tubo capilar.
El balance de fuerzas ejercida sobre los capilares del diafragma pueden representarse con la ley de Newton.
con m igual a masa y a igual a aceleración.
donde se puede reescribir como:
donde es el área del capilar, es la longitud del tubo capilar, es la densidad del liquido en el tubo capilar, es el desplazamiento sufrido por el diafragma.
Miremos que la masa es igual a densidad por Volumen:
es una constante de conversión gravitacional
En ingeniería, es un factor de conversión de unidades utilizado para convertir masa en fuerza o viceversa. Se define como
.
o .
La fuerza de al final del capilar sellado se balancea por medio de dos fuerzas
donde es la constante de Hooke del diafragma (resistencia ejercida por el diafragma, la cual actua como si fuera un resirte), es el coeficiente de amortiguamiento de viscosidad del liquido en frente del diafragma (el cual es una fuerza de fricción provocada por la viscosidad del fluido).
Con esto podemos reescribir el balance de fuerzas como:
Esta ecuación nos indica claramente que la respuesta dinámica de este dispositivo es de segundo orden ante cualquier cambio en la presión del proceso . Simplificando la notacion, podemos nombrar , , y para representar la función de transferencia como:
La selección adecuada de medidores o sensores de presión es esencial para garantizar la fiabilidad y precisión en los procesos industriales. Es importante tener en cuenta el rango de medición, la precisión, la estabilidad y la compatibilidad con el medio en el que se utilizará el medidor de presión.
En resumen, los medidores o sensores de presión son herramientas fundamentales para medir y controlar la presión en una amplia variedad de aplicaciones industriales. Existen diferentes tipos de medidores o sensores de presión disponibles, cada uno adaptado a diferentes requisitos. La selección adecuada de medidores o sensores de presión es esencial para garantizar la fiabilidad y precisión en los procesos industriales.
Con esto amigos hemos llegado al final de nuestra entrada de medidores de Presión, ya sabemos un poco el funcionamiento de estos importantes instrumentos industriales de medición y muy importante ya sabemos obtener el modelo matematico en función de transferencia de los mismos.
Eso es todo por la entrada del dia de hoy, espero les haya gustado y hayan aprendido algo nuevo. Si te ha servido el contenido de esta entrada, de los videos y los códigos de implementación y deseas apoyar mi trabajo invitandome a un café super barato, puedes hacerlo en el siguiente link:
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es presión, 
es fuerza y 
es el área.
y 
formando un diferencial 
.
es la diferencia de presión 
es la densidad del fluido manométrico, 
es la densidad del fluido que circula por la tubería en la que se está realizando la medición, 
es la gravedad y 
es la altura que existe entre las dos columnas del tubo en U.
es la longitud del tubo capilar, 
es la densidad del liquido en el tubo capilar, 
es el desplazamiento sufrido por el diafragma.
.
al final del capilar sellado se balancea por medio de dos fuerzas
es la constante de Hooke del diafragma (resistencia ejercida por el diafragma, la cual actua como si fuera un resirte), 
es el coeficiente de amortiguamiento de viscosidad del liquido en frente del diafragma (el cual es una fuerza de fricción provocada por la viscosidad del fluido).
, 
, y 
para representar la función de transferencia como: